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JP2004538230A - System and method for producing synthetic diamond - Google Patents

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JP2004538230A
JP2004538230A JP2003519552A JP2003519552A JP2004538230A JP 2004538230 A JP2004538230 A JP 2004538230A JP 2003519552 A JP2003519552 A JP 2003519552A JP 2003519552 A JP2003519552 A JP 2003519552A JP 2004538230 A JP2004538230 A JP 2004538230A
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Abstract

化学気相成長によって形成される1つ又は複数の単結晶ダイヤモンド層を有する、合成単結晶ダイヤモンド組成物であって、該層が、不純物のない他の層又は同様の層と比べて、(ホウ素及び/又は炭素同位体などの)1つ又は複数の不純物の濃度が増加した1つ又は複数の層を含む。このような組成物は、色、強度、音速、電気伝導率、及び欠陥の抑制を含めて、特性の改善された組み合せを提供する。さらに、このような組成物を調製する関連した方法、並びにこのような方法を実施するのに使用するシステム、及びこのような組成物を取り入れた製品が記載される。A synthetic single crystal diamond composition having one or more single crystal diamond layers formed by chemical vapor deposition, wherein the layer is compared to another layer or a similar layer free of impurities (boron). And / or one or more layers with an increased concentration of one or more impurities (such as carbon isotopes). Such compositions provide an improved combination of properties, including color, intensity, sound speed, electrical conductivity, and suppression of defects. In addition, related methods of preparing such compositions, as well as systems used to perform such methods and products incorporating such compositions are described.

Description

【技術分野】
【0001】
本発明は、合成ダイヤモンド、並びに合成単結晶ダイヤモンドを調製及び使用する方法に関する。特に本発明は、このような組成物における窒素、リン、硫黄、ホウ素、及び同位体13Cなどの不純物の役割を含めて、化学気相成長法によって生成される単結晶ダイヤモンドに関する。
【背景技術】
【0002】
自然界に見出される単結晶ダイヤモンドは、色、化学的純度、及び最終用途に応じて分類できる。大部分の単結晶ダイヤモンドは着色しており、不純物として窒素を含有し、そのため主として産業用途で用いられ、タイプIa及びIbとして分類される。(すべて“単結晶”ダイヤモンドと考えられる)宝石用ダイヤモンドの大部分は、無色であるか又はさまざまな淡色であり、ほとんど又は全く窒素不純物を含有せず、タイプIIaとして分類される。タイプIa、Ib及びIIaは絶縁体である。(タイプIIbとして分類される)稀な形態の単結晶ダイヤモンドは不純物としてホウ素を含有し、青色であり、半導体である。自然界においては、これらの特徴は支配されないため、色、不純物レベル及び電気的特徴は予測できず、大量の特殊製品を予測可能に製造するのに利用できない。
【0003】
単結晶ダイヤモンドは、硬度、熱膨張係数、化学的不活性及び耐摩耗性、低摩擦性、並びに高熱伝導率を含めて、広くかつ有用な範囲の極限の特性を提供する。一般的には、単結晶ダイヤモンドはまた電気絶縁性であり、紫外(UV)から遠赤外(IR)まで光透過性であり、吸収は約2.5μm〜6μmの炭素−炭素バンドにあるのみである。これらの特性が与えられると、単結晶ダイヤモンドは、ヒートスプレッダ、研磨剤、切削工具、ワイヤーダイ、光学窓、並びに切削工具用のインサート及び/又は耐摩耗性コーティングとしての用途を含む、多くのさまざまな用途に使用を見出される。ダイヤモンドの工学及び産業的利用は、天然単結晶ダイヤモンドの相対的な不足によってのみ妨げられている。したがって、実験室において単結晶ダイヤモンドを合成する方法が、長い期間にわたって追求されてきた。
【0004】
産業的利用のための合成単結晶ダイヤモンドは、“高圧法”に依存するもの及び制御された気相成長(CVD)に関するものを含めて、さまざまな方法で製造することができる。“高圧法”又はCVD法の何れかによって製造されるダイヤモンドは、単結晶ダイヤモンド又は多結晶ダイヤモンドとして製造できる。高圧ダイヤモンドは、ミクロンサイズの結晶として形成されるのが通常であり、粗粒子若しくは遊離砥粒として使用できるか、又は切削、研削若しくは他の用途のために金属若しくは樹脂にはめ込むことができる。
【0005】
両方の方法、即ち“高圧法”及び“CVD法”によって、高度に特性を調節することが可能となり、それにより理論レベルで、色、不純物レベル、及び電気的特徴の特性を調節することが可能となる。しかしながら、実用レベルで、“高圧法”で有用な物を製造するためには、不純物の有無によって課すには限界がある。例として、窒素の添加は大きな結晶の成長を助長できるが、窒素の除去又はホウ素の添加によって、大きな結晶を成長させることはより困難な場合があるということが示されている。加えて、各層が成長した後で反応器からシード結晶を取り出す必要なく、さらにまた、異なる組成を有する次の層を成長させるために反応器中のシード結晶を取り替えることなく、さまざまな組成の層を有する単結晶構築物を作製することができないようである。さらには、大きなシードは“高圧法”に適応できない。CVD法においては、単結晶の成長及び制御と対照的に、ほとんどの作用が多結晶ダイヤモンドの製造に限定されている。
【0006】
高圧法によって高品質の純粋な単結晶ダイヤモンドを製造することは、実際に困難でかつ高価である。合成単結晶又は多結晶ダイヤモンドにホウ素を添加することによって、そのダイヤモンドは、半導体デバイス、歪みゲージ、又は他の電気デバイスを組み立てるのに有用になるが、単結晶ダイヤモンドを選択すべきであることが示された。米国特許第5,635,258号明細書を参照。さらに、IEEEにより出版されたW. Ebertらの“Epitaxial Diamond Schottky Barrier Diode With On/Off Current Ratios in excess of 10 at High Temperatures”,Proceedings of IEDM,419−422頁(1994)、及びS. Sahliらの“Piezoelectric Gauge Factor Measured at Different Fields and Temperatures”,95−98頁,Applications of Diamond Films and Related Materials,A. Feldmanら編,NIST Special Publications 885を参照。
【0007】
いわゆる“産業用ダイヤモンド”は、高圧高温(HPHT)技術を用いて、30年以上もの間商業的に合成されており、その技術においては、単結晶ダイヤモンドは、約50〜100kbarの圧力、及び1800〜2300Kの温度で金属溶媒和炭素から結晶化される。高圧法においては、結晶は3次元的に成長し、成長サイクルの変動から生じ得る不連続を除いて、結晶は1つの不純物レベルだけである。例えば、R. C. Burns及びG. Davisの“Growth of Synthetic Diamond”,396−422頁,The Properties of Natural and Synthetic Diamond,J. E. Field編,Academic Press(1992)、米国特許第3,850,591号明細書、並びに同第4,034,066号明細書を参照。
【0008】
プロセスガスとしてただ珍しいに過ぎない過剰原子状水素中の炭化水素ガス(典型的にはメタン)を用いて、広範囲のさまざまな化学気相成長(CVD)技術により、多結晶ダイヤモンド膜又はコーティングを製造することが可能であるという非常により最近の発見によって、ダイヤモンドにおける関心がさらに大きくなっている。CVDダイヤモンドは2次元的に各層ごとに成長し、それゆえ、単一組成物であることができるか、又は多数の組成物の層から構成できる(“構築物”と呼ばれる)バルク結晶(又はプレート若しくは膜)を発達させることが可能である。このようにして成長したCVDダイヤモンドは、天然のダイヤモンドに匹敵する機械的性質、摩擦学的性質、さらには電子的性質を示すことができる。例えば、Y. Sato及びM. Kamoの“Synthesis of Diamond From the Vapor Phase”,423−469頁,The Properties of Natural and Synthetic Diamond,J. E. Field編,Academic Press(1992)を参照。さらに、背景技術について米国特許第4,940,015号明細書、同第5,135,730号明細書、同第5,387,310号明細書、同第5,314,652号明細書、同第4,905,227号明細書、及び同第4,767,608号明細書を参照。
【0009】
例えば、ダイヤモンドの研磨剤及びヒートスプレッダを製造するための従来の高圧法に対して、経済的に実行可能な代替手段を提供する程度に、CVD法の規模を拡大することが可能となるであろうと、現在では非常に楽観的である。高表面積をダイヤモンドの連続膜で被覆できることによって、その結果、CVD調製材料の新しい潜在的用途が開かれるであろう。しかしながら、現在、CVDプロセスによる単結晶ダイヤモンドの製造は、高圧プロセスよりもはるかに成熟しておらず、結果として得られる材料は、より高い欠陥レベルとより小さいサイズを有する傾向がある。
【0010】
化学気相成長は、その名前が意味するように、固体表面より上で起こる気相化学反応を伴い、その表面上に堆積を生じさせる。ダイヤモンド膜を製造するためのすべてのCVD技術は、気相の炭素含有前駆体分子を活性化する手段を必要とする。これは一般に、熱(例えば、熱フィラメント)若しくはプラズマ(例えば、D.C、R.F、若しくはマイクロ波)の活性化、又は燃焼炎(酸素アセチレン若しくはプラズマトーチ)の使用を伴う。より通俗的な実験法のうち2つは、熱フィラメント反応器の使用、及びマイクロ波プラズマの増強された反応器の使用を含む。各方法は詳細には異なるが、それらすべては共通の特徴を共有する。例えば、(他の十分に規定されていない炭素形態の堆積よりはむしろ)ダイヤモンドの成長は、基材が1000−1400Kの範囲の温度で維持されること、及び前駆体ガスが過剰水素で希釈されること(典型的なCH混合比は1〜2vol%まで)を通常必要とする。
【0011】
結果として得られる膜は、通常、(単結晶ダイヤモンドシードが提供されない限り)まさにその成長条件に対してセンシティブな形態学を有する多結晶である。さまざまな堆積プロセスについての成長速度は相当に変化し、より速い成長速度は、相当する膜品質の低下を犠牲にしてのみ達成できるということが通常知られている。品質は、試料中のsp3(ダイヤモンド)とsp2結合(黒鉛)の炭素比、組成(例えば、C−C対C−H結合含有量)及び結晶化度など、いくつかの基準ファクターを含むと一般に考えられる。一般に燃焼法は、高速度で(典型的には100μm/h〜250μm/h)、しかししばしば非常に小さい局所的な領域上に、質の悪いプロセス制御で以ってダイヤモンドを堆積させ、それにより劣った品質の膜をもたらす。対照的に、熱フィラメント及びプラズマ法は、はるかにより遅い成長速度(0.1〜10μm/h)を与えるが、高品質の膜を製造する傾向がある。
【0012】
CVDダイヤモンド技術で研究者らが直面する大きな難題の1つは、膜の品質を落とさずに、成長速度を経済的に実行可能な速度(100+μm/h、又は1mm/h以上でさえあるレベル)に向上することである。堆積速度は、加えられるマイクロ波電力とほぼ直線的に比例して増加することが見出されているので、マイクロ波堆積反応器を使用することで引き続き向上する。現在、マイクロ波反応器の典型的な定格電力は5kWまでであるが、次世代のこのような反応器は、50〜80kWまでの定格電力を有する。これはダイヤモンドについてはるかにより実際的な堆積速度を、しかし当然ながらより高いコストと引き換えに与える。
【0013】
熱力学的には、ダイヤモンドでなく黒鉛が、周囲圧力及び温度で固体炭素の安定した形態である。ダイヤモンド膜がCVD技術により形成できるという事実は、熱的又は電子衝撃の何れかによりガスが“活性化された”結果として生成する水素原子の存在と分けることができないほどに関連している。これらのH原子は、CVDプロセスにおいていくつかの重要な役割を果たすと考えられている。即ち、
・H原子は、安定な気相炭化水素分子とH引抜反応を行い、高い反応性の炭素含有ラジカル種が生成される。このことは重要である。というのも、安定な炭化水素分子は、ダイヤモンドの成長を引き起こすよう反応しないためである。この反応性ラジカル、特にメチルCHは、基材表面に拡散して反応することができ、ダイヤモンド格子を増加させるのに必要なC−C結合を形成する。
・H原子は、成長ダイヤモンド表面の“ダングリング”炭素ボンドを終わらせ、それらが架橋して、それにより黒鉛のような表面を再構築するのを防ぐ。
・原子状水素は、ダイヤモンドと黒鉛の両方をエッチングするが、典型的なCVD条件下では、ダイヤモンドの成長速度はそのエッチ速度を超え、一方で、他の炭素形態(例えば、黒鉛)については、逆のことが言える。このことは黒鉛よりむしろダイヤモンドの優先的堆積の根拠であると考えられる。
【0014】
注目を受ける1つの主な問題は、ヘテロエピタキシャル成長、即ち、ダイヤモンドが非ダイヤモンド基材上で核となる初期過程のメカニズムである。いくつかの研究により、非ダイヤモンド基材を予備研磨することで、核形成の誘導時間が低減され、核形成部位の密度が増加することが示された。連続ダイヤモンド膜の形成は、本質的には、核形成を経て進行し、続いて、さまざまな微結晶が、それらが最終的に凝集する地点に3次元成長する結晶化プロセスであるので、必然的に成長速度が向上する。
【0015】
研磨プロセスは、研磨粗粒子、通常0.1μm〜10μm粒子サイズのダイヤモンド粉末を用いて、機械的又は超音波撹拌の何れかにより基材を研磨することで通常実施される。しかしながら、研磨法に関係なく、堆積の前にこのような不十分に規定された方法で表面を傷つけることが必要であるために、回路の幾何学的形状がしばしばサブミクロンスケールである、エレクトロニクス産業のような領域の用途にCVDダイヤモンドを使用することがひどく妨げられる場合がある。この懸念により、イオン衝撃など、より制御可能な核形成促進方法の追求に至った。イオン衝撃は、マイクロ波堆積反応器において、数百ボルトの負バイアスを基材に単に印加することで実施でき、イオンが(i)表面を傷つけ、(ii)格子中に注入され、(iii)炭化物中間層を形成する。
【0016】
これらの方法は、例えば、研磨された単結晶ダイヤモンドがシード結晶として用いられ、そのシード結晶の構造が、シード上に成長される新しい単結晶ダイヤモンドにおいて再現される、CVDによる単結晶ダイヤモンドの製造とは全く対照的である。結果として得られる単結晶ダイヤモンドは、ほとんどの産業的、光学的、電子的及び消費者用途の多結晶ダイヤモンドよりも優れた特性を有する。
【0017】
さまざまな方法が、合成ダイヤモンドの調製に使用するために説明されている。例えば、米国特許第5,587,210号明細書、同第5,273,731号明細書、及び同第5,110,579号明細書を参照。CVDダイヤモンド技術に対する大部分の科学的研究努力は過去10年に集中しているが、すでに、切削工具及びヒートスプレッダなど、いくつかのより直接的な適用が市場に行き渡っている。しかしながら、いくつかの問題は、この技術が重大な影響を及ぼし始める前に、取り組まれかつ克服されることが必要である。成長速度は、膜品質を低下させることなく(1又は複数桁)向上させる必要がある。堆積温度は、低融点材料の被覆を可能にして、付着性ダイヤモンド膜が堆積できる基材材料の数を増やすよう700度低減される必要がある。核形成プロセスのより良い理解が必要とされ、できれば不十分に制御される予備研磨工程の削除へと導く。基材面積は、前と同様に均一性又は膜品質を低下させることなく拡大する必要がある。電子的用途について、単結晶ダイヤモンド膜は、パターニング並びに制御されたn−型及びp−型ドーピングのための確かな技術とともに強く必要とされる。
【0018】
関連した主題に関して、ダイヤモンドは、任意の公知材料のうち最も高い熱伝導率を有し、銅金属の5倍程度の熱伝導率値である。高熱伝導率は、多くの用途について非常に重要な特性である。というのも、それによって狭い供給源から速やかに熱を除去し、操作系から完全に熱を除去できるより大きな領域に放散することができる。
【0019】
材料製作の分野(切削)においては、切削プロセスの結果として、熱が切断火口又は工具のエッジで発生する。その熱が除去されない場合、切削工具の温度は、酸化、腐食又は破壊によって質を低下させる点まで上昇し、工具が使いものにならなくなる。さらには、工具の質が悪いと、製作部品の品質及び精度が相当に低下する。切削工具がダイヤモンド、高熱伝導率のダイヤモンドから作製される場合には、切断火口又はエッジからの熱は、速やかに該火口又はエッジから工具ホルダーに除去され、切断火口又はエッジの温度は、炭化物、酸化物、窒化物、又はホウ化物などの他の材料から作製された同等の工具よりも相当に冷えている。それゆえ、ダイヤモンド工具は一般に、他の切削材料よりも長持ちし、より長期間に渡ってより高品質の製造部品を提供することができる。同様に、ワイヤーダイがダイヤモンドから作製される。というのも、それが優れた耐摩耗性を有し、ワイヤーを成形する熱が、速やかにワイヤーから放散できるためである。これによって、他のワイヤーダイ材料で得ることができるよりもワイヤーダイの寿命が長くなり、より長い長さについてワイヤーの品質がより高くなる。
【0020】
高電力レーザー用の窓においては、光が部分的にレンズ材料によって吸収され、レンズ材料が温まると、熱レンズ効果が生じて、レンズ材料の屈折率が変化する。レーザービームによって発生する熱は、レンズの外表面に放散されなければならないので、材料の屈折率に勾配があり、それによって、レーザービームは制御されずに歪められるか、又は焦点が合うか若しくは焦点がぼける。このような制御されない歪みによって、高電力レーザーの製造設備においては制御されない切削又は溶接になり、有用な電力が限定され、それによりこのようなレーザーを使用できる用途の数が限定される。同様の問題が、通信、核融合発電、又は当業者に周知である他の用途のための高電力レーザーの使用において生じる。
【0021】
高電力レーザーシステムでダイヤモンド窓を使用することは非常に望ましく、より高電力のレーザーカッター又は溶接機、及び通信などの他の用途をもたらすことが明らかである。さらに、非常により高熱伝導率のダイヤモンドによって、より高電力のレーザーが実現可能になることも明らかである。さらには、ダイヤモンド窓の破損及び損傷が、いかに速やかに熱を窓から除去できるかによって左右されることも明らかである。その結果、より高熱伝導率のダイヤモンド窓は、破損及び損傷から低減された故障率になることが期待される。
【0022】
固体レーザーデバイス及び高電力マイクロ波デバイスなどの半導体デバイスにおいては、高いレベルの熱が非常に小さい領域に生じる。この熱は除去されなければならない。さもないと、デバイスの温度は、デバイスが適切に作用しなくなるか、又は壊滅的に故障するレベルに急速に上昇する。この問題は、デバイスの小領域から熱を速やかに除去し、その熱を冷却フィン又は冷却デバイスのより大きな領域に放散するダイヤモンドプレートに、半導体デバイスを取り付けることによって軽減できる(P. Hui,らの“Temperature Distribution in a Heat Dissipation System Using a Cylindrical Diamond Heat Spreader on a Copper Block”,J.Appl.Phys.75(2),15 Jan 1994)。さらに、チップのスタックがダイヤモンドプレートとの接触によって冷却されるべき非常に高速の3次元コンピュータを製造するために、半導体デバイス又はICの3次元配列を冷却するのにダイヤモンドを使用することが提案された(R. EdenのApplications in Computers,Handbook of Industrial Diamonds and Diamond Films,1073−1102頁,Mark Prelas, Galina Popovici及びLouis Bigelow編,Marcel Decker,NY,1998)。
【0023】
これらデバイス及び切削工具のすべてにおいて、その性能及び寿命は、デバイス及び工具の能動部品の温度に直接的に関係している。デバイス/工具の能動部品の操作温度は、熱が用いられるダイヤモンドの熱伝導率に直接的に関係している。しかしながら、ダイヤモンドの熱伝導率(TC)は、不純物、結晶欠陥、及び多結晶化度によって劇的に変化する。それゆえ、ダイヤモンド工具又はダイヤモンド冷却半導体の性能は、用いられるダイヤモンドの熱伝導率に直接的に関係している(M. Sealの“High Technology Applications of Diamond”,608−616頁,The Properties of Natural and Synthetic Diamond,J. E. Field編,Acadenic Press(1992)を参照)。
【0024】
多結晶ダイヤモンドは、典型的には最も低い熱伝導率を有し、窒素ドープ単結晶がより高く、純粋なダイヤモンドが最も高い。最も高い熱伝導率の天然ダイヤモンドは、ほとんど乃至全く窒素を含有しないタイプIIaであり、2000〜2500ワット/メートル・ケルビン(W/mK)の熱伝導率値を有する(V. I Nepshaの“Heat Capacity,Conductivity,and Thermal Coefficient of Expansion”,147−192頁,Handbook of Industrial Diamond and Diamond Films,M. A. Prelas, G. Popovici及びL. K. Bigelow編,Marcel Dekker,Inc.(1998)を参照)。天然ダイヤモンド、及び高温高圧法によって製造された合成ダイヤモンドの多数の測定値は、2000〜2500のこの値が通常達成できる最も高い熱伝導率であり、今日までに一般に容認されている値であることを示した。さらに、約2200のTC値が、高品質の多結晶ダイヤモンドにおいて達成された。例えば“CVD Diamond:a New Engineering Material for Thermal,Dielectric and Optical Applications”,R. S. Sussmanら,Industrial Diamond Review,58(578):69−77(1998)を参照。
【0025】
ダイヤモンドの熱伝導性は、フォノン−フォノン伝達によって生じ、熱伝導率は、ダイヤモンド結晶中のそれらフォノンの平均自由行程(I)によって支配される。それゆえ、フォノンの平均自由行程に変化を生じさせるダイヤモンドの任意の特性は、ダイヤモンドの熱伝導率に変化をもたらす。フォノン散乱は平均自由行程を低減し、フォノン散乱は、フォノン−フォノン相互作用(ppi)、粒界(gb)、転位(dis)、空孔(vac)、不純物(imp)、同位体(iso)、及び空隙を含む他のメカニズム(othr)によって生じる場合がある。フォノンの平均自由行程は、以下の式によって与えられる。
1/I=1/I(ppi)+1/I(gb)+1/I(dis)+1/I(vac)+1/I(imp)+1/I(iso)+1/I(othr)
【0026】
理論の詳細な概要については、米国特許第5,540,904号明細書を参照。炭素は3つの同位体12C、13C及び14Cで存在し、12Cは天然ダイヤモンド中におよそ99%のレベルで存在しており、13Cはおよそ1%であり、14Cは、地質学又は考古学の現場で年代を突き止めるのに用いられるように、非常に低くかつ放射性である。上述の理論を適用して、これら材料中の炭素13(13C)の量を低減し、かつ多結晶ダイヤモンド中の粒子サイズを増加させ、それにより粒界の体積を低減することによって、ダイヤモンド結晶及び多結晶ダイヤモンドの熱伝導率がかなり改善された。単結晶及び多結晶ダイヤモンドの13C含有量を、(天然ダイヤモンド及び天然産ダイヤモンド前駆体に見出される)1.1%から0.001%13Cに低減することによって、室温での熱伝導率は、(自然同位体ダイヤモンドの)2000W/mKから同位体濃縮されたダイヤモンドにおいて3300W/mKに向上することが見出された(米国特許第5,540,904号明細書、同第5,360,479号明細書、及び同第5,419,276号明細書)。
【0027】
さらに、ダイヤモンドの熱伝導率は、炭素同位体に関してダイヤモンド出発材料の純度を変化させることで変えることができるということが見出された。例えば、12C同位体に関して99.999%純度のダイヤモンド結晶又は多結晶ダイヤモンドが製造された場合、室温での熱伝導率は3300W/mKに向上した。さらに、これは可能な実に最も高い熱伝導率であり、この高熱伝導率は多結晶ダイヤモンドにおいても観測されたので、粒界などの結晶特性は熱伝導率の主な損失にはならないと結論した。ダイヤモンドの熱伝導率の理論的な分析が実施され(P. G. KlemensのSolid State Physics:Advances in Research and Applications,R. Seitz及びD. Turnbill編(Academic,New York,1958)Vol.7)、それは、高熱伝導率が同位体濃縮されたダイヤモンドにおいて生じると予測した点で、上に挙げた研究と一致を示した。しかしながら、さらにこの研究は、純粋な自然同位体濃度ダイヤモンドの熱伝導率も、室温で3300W/mKであるはずだと予測した。2200W/mKよりも高い熱伝導率を有する天然ダイヤモンド又は合成ダイヤモンドは全く見つかっていないので(Field同上681頁)、理論が間違っているか、又は自然同位体濃度ダイヤモンドの熱伝導率を低下させるいくつかの今だ説明されていないファクターが存在するのかは、当業者によって結論される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0028】
単結晶ダイヤモンドの熱伝導率を、2300W/mKから3300W/mKへ50%又はそれ以上増加させることができることにより、ダイヤモンド切削工具、ダイヤモンドワイヤーダイ、高電力レーザー窓、レーザーなどの高電力半導体デバイス、マイクロ波デバイス、及び3次元コンピュータ又は回路について、有意な性能の向上がもたらされる。しかしながら現在まで、熱伝導率の向上したダイヤモンドの利点は、全く商業的用途に適用できていない。というのも、12Cの増大した前駆体ガス(典型的にはメタンガス)を製造するコストが、自然同位体ガスのコストに比べて極端に高いためである。典型的には、メタンガスなどの12C濃縮前駆体のコストは、0.01ドル/g未満での非濃縮メタンのコストと比べて、75ドル〜200ドル/gである。1〜2%のメタンしかダイヤモンドに転化されないので、これにより、熱伝導率の向上した材料のコストは、製造されるダイヤモンド結晶1g当たり7,500ドル〜20,000ドルとなり、自然同位体原料のコストは、製造されるダイヤモンド1g当たり1ドル未満となる。この高いコストのために、工具、ワイヤーダイ、窓又はデバイスの得られる性能の利点が全く見劣りして、最も要求が厳しく、コストに寛容で、低体積の特別な用途にしかこのような熱伝導率の向上したダイヤモンドを使用できない。
【課題を解決するための手段】
【0029】
本発明は、例えば、熱伝導率、結晶完全性、着色、強度、音速、破壊靭性、硬度、形状等の特性の改善された組み合せを与える、合成単結晶ダイヤモンドを提供する。改善されたダイヤモンドは、制御された気相成長(CVD)法によって調製され、該CVD法では、全体的に改善された生成物及び/又はそのような生成物を調製する改善されたプロセスを提供するために、不純物の量及び/又は種類が、ダイヤモンドの1つ又は複数の層中で変えられ、慎重に調節される。1つの実施態様においては、このような不純物は、例えば、硬度、破壊靭性、電気伝導率、光学的性質、及び結晶完全性などの特性の改善された組み合せを達成するために、多層ダイヤモンドの1つ又は複数の層中にホウ素などの不純物を積極的に添加することを含む。他に代わる実施態様においては、このような不純物の調節は、厚い単層ダイヤモンド中の窒素含有量を低下させることを含み、一方で、とりわけ熱伝導率を改善するために、天然又は天然に近いレベルでC同位体含量を維持する。
【0030】
上で明らかにされた第1の実施態様においては、本発明は、化学気相成長によって形成された1つ又は複数の単結晶ダイヤモンド層を含んで成り、該層が、不純物のない他の層又は同様の層と比べて、(ホウ素及び/又は炭素同位体などの)1つ又は複数の不純物の濃度が増加した1つ又は複数の層を含む、合成単結晶ダイヤモンド組成物を提供する。このような組成物は、色、強度、音速、電気伝導率、及び欠陥の抑制を含めて、特性の改善された類のない組み合せを提供する。別の態様においては、本発明は、所定の不純物を有するダイヤモンド層を成長させる工程と、異なる不純物及び/又は不純物レベルを有する単結晶ダイヤモンドの付加的な層を成長させる工程と、所望の構造を達成するよう種々の組成及び厚さのさまざまな層を用いてこのプロセスを繰り返す工程とを伴う、そのようなダイヤモンドを調製する方法を提供する。さらに別の態様においては、本発明は、このような方法を実施するのに使用するシステム、及びこのような組成物を組み込む製品を提供する。
【0031】
本明細書で用いられる“ドープ”とは、本発明の組成物中の少なくとも1つの層が、例えば、電気的、物理的、光学的、電子的又は結晶学的性質において測定可能な変化を作り出すのに十分な、合成単結晶層中のホウ素、硫黄、リン、炭素同位体、又はリチウムなどの不純物量をもたらすために、ガス流中に含まれるある量の1つ又は複数の不純物で成長されたことを意味する。“非ドープ”とは、該層が、純粋な単結晶ダイヤモンドの上述されたすべての属性を有するように、ホウ素(又は他の不純物)を実質的に有さないことを意味する。
【0032】
別の態様においては、本発明は、例えば、異なる不純物濃度を含有する層から構成された本発明の単結晶ダイヤモンドから作ることのできるさまざまな構築物、並びにそのような構築物を用いる方法に関する。さらに本発明は、不純物がドープされた層を添加することで作製される半導体単結晶ダイヤモンドの新しい使用と、改善された光学的及び電気的性質を有する単結晶ダイヤモンドの結晶を生成する方法と、非ドープ単結晶ダイヤモンドプレート及びドープ単結晶ダイヤモンドプレートの両方を使用する方法とを説明する。これらの方法及び組成物のすべては、CVD法によって成長された単結晶ダイヤモンドに関連する。
【0033】
上述の他に代わる実施態様に関して、出願人らは、同様の(即ち、同位体濃縮されていないCVD成長の)ダイヤモンドについて以前に知られているよりも相当に高い熱伝導率を有する単結晶ダイヤモンドが調製できる方法を見出した。このようなダイヤモンドは、例えば、少なくとも約2300W/mK、好ましくは少なくとも約2500W/mK、より好ましくは少なくとも約2800W/mKの熱伝導率を示し、一方で、標準的な範囲内の(例えば、約0.1%、より好ましくは約0.8%よりも高い)13C同位体含有量を保持する。このような熱伝導率レベルは、現在まで“同位体濃縮”として公知の比較的高価でかつ技術的に難しいプロセスによって成長したダイヤモンドについて知られているか、又は主張されているだけであり、該プロセスではそれに比べて、対応する13C含有量は、0.01%〜約0.0001%の範囲まで相当に低減することを要求される。
【0034】
しかしながら本説明を所与のものとすれば、当業者は、同位体濃縮を用いずに通常のCVD技術を用いて、例えばより厚いダイヤモンドを成長させ、一方で好適な低レベル(例えば、約50ppm未満、より好ましくは約20ppm未満、さらに好ましくは約10ppm未満、最も好ましくは約5ppm未満)に不純物窒素を維持することによって、この実施態様のダイヤモンドを調製できる。結果として得られるダイヤモンドは、その技術分野で最も近い公知の方法よりもはるかに高価でない方法において、有意に改善された特性を提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【0035】
本発明の方法及び組成物は、以下を含めてさまざまな実施態様を取り上げることができる。この節におけるダイヤモンドの使用は、単結晶ダイヤモンドに関連する。理論によって結びつけることを意図するものではないが、本発明の方法及び組成物は、少なくとも1つの実施態様において、窒素又はホウ素原子が炭素原子よりも大きいという事実に基づいている。それゆえ、これらの元素がダイヤモンド構造に添加されると、結晶格子が広がる。高含量の窒素又はホウ素がダイヤモンド中に組み込まれると、ダイヤモンド中の炭素原子間の平均距離が、純粋なダイヤモンドより適度に大きくなる。例えば、A. R. Langの“Diffraction and Imaging Studies of Diamond”,215−258頁,The Properties of Natural and Synthetic Diamond,J. E. Field編,Academic Press(1992)、A. R. Langの“Dilation,density and nitrogen containing type la diamonds:previous work and proposed experiments”,2239−2244頁,IPO Publishing Ltd.,1993、及びO. A. Voronov, A. V. Rahmaniaの“Cubic Lattice Parameter of Boron Doped Diamond”を参照。出願人は、この原理が、本明細書で説明されるように改善されたダイヤモンド組成物を提供するのに有利に使用できることを見出した。窒素含有量と格子定数において結果として得られる増加との間の関係は、以下の式(同様に、A. R. Langの“Diffraction and Imaging Studies of Diamond”,246頁,The Properties of Natural and Synthetic Diamond,J. E. Field編,Academic Press(1992)を参照)によって与えられる。即ち、a=a×(1+1.4×10−7×[N])、式中、a=ドープダイヤモンドの格子定数、a=純粋なダイヤモンドの格子定数、[N]=原子百万分率(ppma)における窒素濃度である。
【0036】
ホウ素含有量と格子定数において結果として得られる増加との間の関係は、以下の式(F. Brunetらの“Effect of boron doping on the lattice parameter of homoepitaxial diamond films”,Presented at the 1997 European Diamond Conference,Edinburgh,Scotland,August 3−8,(1997)を参照)によって与えられる。即ち、[B]≦1525の場合、a=a×(1+1.38×10−7×[B])、及び[B]≧1525の場合、a=a×(1−5.6×10−4+4.85×10−4×[B])、式中、a=ドープダイヤモンドの格子定数、a=純粋なダイヤモンドの格子定数、[B]=ppmaにおけるホウ素濃度である。
【0037】
これらの式は、整合格子の多層構造、又は仕様に合った格子不整合を備えた層又は複数の層を有する多層構造の設計を助けるのに使用できる。例えば、ホウ素ドープ又は窒素ドープ薄層が、通常のダイヤモンド基材上に成長される場合、炭素原子の表面間隔は基材よりも大きいのが通常であり、それゆえ、基底のダイヤモンド基材は引張下に配置されるが、ホウ素(又は窒素)ドープダイヤモンドの新しい表面層は圧縮される。出願人は、これによってダイヤモンドの表面が強化され、クラッキング又は他の機械的な破損に対してより抵抗性になることを見出した。この特徴は、例えば、切削工具、メス、ミクロトーム、ワイヤーダイ等、多くの単結晶ダイヤモンド製品の強化を助長するのに使用できる。
【0038】
格子不整合による歪エネルギー(ε=(a−a)/ao1、式中、a=基材の格子定数、a=層の格子定数)は次の式を用いて概算できる。即ち、エネルギー=t×E×ε/(1−v)、式中、t=膜厚、E=ヤング率、v=ポアソン比である(例えば、C. R. M. GrovenorのMicroelectronic Materials,139頁,Adam Hilger(1989)を参照)。この式は、不純物の添加によって格子定数を変化させる式とともに、仕様に合った歪エネルギーを有する層又は複数の層を作り出すのに使用できる。
【0039】
ダイヤモンド結晶は通常、完全な整列から原子配列において不連続である転位を含む。これらの転位は直線的に進行するのが通常であり、それゆえ、基材から基材上で成長した膜又は結晶に及ぶ。転位が圧縮又は引張下にある層と交差する場合には、転位は方向を変え、その元々の方向と異なる角度で進むことが、通常の半導体に関して実証されている(J. Y. Tsao, B. W. Dodson, S. T. Picraux及びD. M. Cornelisonの“Critical Stress for Si−Ge(1−x) Strained−Layer Plasticity”,59(21)Physical Review Letters,2455−2458頁,23 November 1987を参照)。交互に圧縮及び引張下にある一連の薄層を作製することによって、転位の伝播を低減又は完全に止めることができる(Y. C. Chen, J. Singh及びP. K. Bhattacaryaの“Suppression of defect propagation in semiconductors by pseudomorphic layers”,J.Applied Physics,74(6),14 Sept.1993を参照)。出願人らは、このプロセスが、ホウ素ドープ(又は窒素ドープ)と、非ドープとを交互にした層を成長させることによってダイヤモンドに拡張できることを見出した。
【0040】
本発明の方法は、低転位の又は転位のないダイヤモンド結晶、基材及び構築物を調製するのに使用できる。さらに該方法は、低転位の又は転位のないダイヤモンドから作製された、歪みのない光学素子を調製するのに使用できる。歪みは、レンズ及び窓などの光学素子、並びに宝石の性能を低下させる複屈折をもたらす。
【0041】
さらに該方法は、半導体デバイス用の低転位又は転位のない基材の製造を可能にする。デバイス性能の局所的な劣化を招く転位の上に不純物が蓄積する場合があることは、シリコンにおいて公知であり、ダイヤモンドにおいて報告されている。それゆえ本発明はまた、低転位の基材を用い、かつ本明細書で記載される方法によって作製されたより高性能なデバイスを含む。
【0042】
ドープダイヤモンドと、非ドープダイヤモンドとの交互層からもっぱら作製されたダイヤモンドプレートはまた、向上した強度及びクラッキングに対する抵抗性を提供することが期待される。これらは、メス、切削工具、スライシングツール、ワイヤーダイ、及び応力が加えられる他の用途において有用である。
【0043】
本明細書で記載される合成ダイヤモンド組成物を用いて調製できる製品の別の系統群は、ダイヤモンド中のホウ素濃度が高いと、ダイヤモンドが青くなるという事実に基づいている。ダイヤモンドプレートは、例えば、ホウ素を大量にドープされて青色になっているメスを含めて、ある種類の手術に非常に有利な小さく鋭いブレードに形作ることができる。一般にメスに関しては、米国特許第5,713,915号明細書を参照。このようなブレードは特に利点を与える。というのも、典型的に無色であるか又は淡黄色であり、見えにくい通常のダイヤモンドブレードに比べて、ブレードをより良く見分けることができるためである。加えて、ダイヤモンドブレードの表面は圧縮して配置でき、それによって、ダイヤモンドプレートに更なる強度を与える。ホウ素ドープダイヤモンドは、ブレードの体積全体として、又は外部層若しくは内部層上のコーティングとして提供できる。
【0044】
さらにダイヤモンドの着色は、レーザー切断技術を用いてより容易に製作されるダイヤモンドを作製するのに使用できる。ホウ素を添加することによって、YAGレーザー光線のより高い吸収をもたらす近赤外での光吸収が生じ、これによって、レーザー切断で製品を製作するのに必要とされる電力レベルが低減される。例えば、ダイヤモンドは、YAGレーザーを1.06μmで作用させて切断することによってしばしば形作られる。ホウ素の添加によってこの波長での光吸収が向上し、これによってより低い電力の使用が可能になることでレーザー切断プロセスを相当に簡単にでき、その結果、製造されるダイヤモンド部品の損傷及びクラッキングが低減される。1.06μmでの吸収量は、導入されるホウ素の量を調節することで仕様に合わせて変化させることができ、ダイヤモンドにおける吸収位置は、多層構造におけるホウ素層の位置によって調整できる。
【0045】
ホウ素ドープ層はプロセスの任意の時間で添加できるので、透明シースの内側に青の色合いを置くことができ、外表面の研磨を可能にすると同時に青の色合いを与える。青色の内部又は外部ダイヤモンド層は、ダイヤモンドの容易な視覚又は光学的検知が必要とされる任意の使用に提供できる。あるいは、メスは固体のホウ素ドープダイヤモンドから作製できる。色はホウ素の濃度に応じて淡青色から黒色まで変えることができる。
【0046】
適用の第3の系統群は、ホウ素のドーピングが電気伝導性をもたらすという事実に基づいている。適用は以下を含む。即ち、
1.ホウ素ドープダイヤモンドは、それが圧縮又は引張下に置かれ、温度を変化させると電気抵抗率の変化を受ける。それゆえ本発明の方法は、単結晶ダイヤモンドの工具を、ホウ素ドープ単結晶ダイヤモンドで被覆して、作業及びその温度下での工具の応力を測定するのに使用できる。その結果、これは機械加工作業を監視及び管理するための現場センサーを提供するのに使用でき、該工具を最適に作用させることができる。さらにこの特徴は、最小侵襲タイプの手術に機械的に誘導されるメスを与えることでの使用に適応できる。
2.手術において導電性のホウ素ドープダイヤモンドを使用することは、静電気によって生じるメスからの放電の可能性を低減し、それにより、患者を傷つけること、又は周囲の電気モニター装置若しくはペースメーカなどの植込みデバイスに害を与えることを防ぐ。
3.ダイヤモンドは、例えばプラスチック膜、紙等の材料を裂くのに使用できるか、又はミクロトームにおいて組織の薄片をカットするのに使用できる。このようなプロセスに関する共通の問題は、大きな放電又は塵、ほこり及び切断面上の切削残留物の堆積をもたらす静電気の蓄積である。工具に関してホウ素ドープダイヤモンド表面は、このような静電気の発達を防ぐのに使用できる。いくつかの場合には、膜又は多層構造よりもむしろ、全体が固体のホウ素ドープダイヤモンドの工具を使用することが望ましい場合がある。
4.ホウ素ドープダイヤモンドは、酸又は塩基性水溶液の腐食に対して非常に耐性がある。ホウ素ドープ多結晶ダイヤモンドは、酸素及び塩素などの物質の電気化学合成に電極として使用されている。多結晶ダイヤモンド電極は、黒鉛又はステンレス鋼など、通常電極材料の何倍もの寿命を有する。しかしながら、多結晶ダイヤモンドは、何時間もの操作でかなりの減退を受ける。多結晶ダイヤモンドは、粒界で互いに接続する何百万もの微結晶から構成されている。これらの粒界は不純物を集める傾向があり、ゆっくりと攻撃されて減退をもたらす。出願人は、単結晶のホウ素ドープダイヤモンドから作製された電極を製造した。これらの電極には粒界がなく、多結晶ダイヤモンドよりも相当に長い寿命を有し、一定の摩耗を示すが、壊滅的な減退は示さない。さらには、単結晶ダイヤモンド電極は、壊滅的に減退すること又は相当に腐食することなく、多結晶ダイヤモンドよりも桁違いに高い電流に耐えることができる。
【0047】
最後に、本発明の組成物は、例えば、工具、ミクロトーム、検出器用切削工具等のような物を製作するのに有用な、類のない及び特有の半導体特性を提供することができる。
【0048】
本発明のドープされた(複数の)層はまた、炭素原子間の間隔が増すよりはむしろ減少する状況も包含できる。炭素はいくつかの同位体に見出される。12Cは最も一般的な同位体であり、一方で、13Cは約1%の存在量である。すべてが13C原子から成るダイヤモンドは、(99%の12Cと1%の13Cを含有する)通常のダイヤモンドよりも炭素原子間の間隔が小さい。ダイヤモンドの同位体含有量に関する格子定数の依存は、以下の式によって与えられる。
a=a−5.4×10−9×[13C]
式中、a=同位体濃縮されたダイヤモンドの格子定数、a=非ドープの自然同位体ダイヤモンドについての格子定数、[13C]=13Cの原子分率である(H. Hollowayらの“Erratum:Isotope dependence of the lattice constant of diamond”,Physical Review B45,6353頁(1992)を参照)。
【0049】
それゆえ、12C基材上に13Cダイヤモンドの層を堆積させること、並びに圧縮下に12Cダイヤモンド及び引張下に13C表面層を置くことが可能である。その結果、これによって以下がもたらされる。即ち、
1.単層を適用しかつホウ素又は窒素ドーピングのない、強化ダイヤモンドプレート又は結晶。
2.ホウ素又は窒素ドープ層を用いないで転位を減少させるために、ヘテロ構造を作り出すこと。このヘテロ構造は、非ドープの12C及び13Cダイヤモンドの交互層を包含できる。このような構造は、12C又は13C何れかの層で終わることができ、さらに12C又は13C何れかのダイヤモンドの単結晶プレートを成長させるのに使用できる。
3.連続的に変わる12C/13Cの層を生成して、一方から他方への格子間隔を変化させ、それによって大きな13Cダイヤモンド結晶に基材を与える。
4.13Cの原子は通常のダイヤモンドよりも互いに近いので、13Cダイヤモンドは、通常のダイヤモンドをすり減らす、引掻く、へこませる又は摩耗させることが避けがたい状況において、13Cのバルク結晶又は層を使用できる程度に、通常のダイヤモンドよりも硬いことが期待される。
5.(同位体濃縮されているとされる)0.1%未満の13C不純物を有する13Cダイヤモンドは、特に高い熱伝導率を有することが示された。通常のダイヤモンド上にホウ素をドープした同位体濃縮ダイヤモンド層を成長させることによって、熱が速い速度で横に、次いで軸方向下にヒートスプレッダへ分散する半導体デバイスを作ることができる。同じことが、熱を速やかに横方向へ除去し、次いでその熱を軸方向にヒートスプレッダへ除去することを目的として、通常のダイヤモンド上の非ドープ同位体濃縮ダイヤモンドに適用できる。このような構造は、通信用レーザー及び他の高電力デバイスにおいて、より良好な温度制御をもたらすことができる。加えて、通常のダイヤモンドと同位体濃縮ダイヤモンドとの交互層は、鉛直方向の伝導率に比べて、極めて高い横方向の熱伝導率を有する構造をもたらすことができる。
6.12C及び13Cは異なる質量を有するので、同位体の含有量が変化すると、ダイヤモンドのバンドギャップは対応する電気的性質の変化とともに変わる(A. T. Collinsらの“Indirect Energy Gap of 13C Diamond”,Physical Review Letters,65,891頁(1990)を参照)。バンドオフセット及び電気的性質において結果として得られる変化は、これらのオフセットなしでは可能でない電気及び光学デバイスを作製するのに使用できる。
7.13Cはダイヤモンド格子を小さくし、かつホウ素又は窒素は該格子を広げるので、12C、13C及び高濃度のホウ素又は窒素から成る組成物を作り出すことが可能である(ホウ素のドーピングは、多くのデバイスに必要とされるp型半導体をもたらす)。この組成物は、通常のダイヤモンドの格子間隔に正確に適合し、かつデバイス性能に必要とされる高いホウ素濃度を有するが、歪みのない構築物を提供するよう設計できる。このアプローチは、III−V半導体構造で用いられるような歪みのないヘテロ構造を提供する。
8.あるいは、層が交互に圧縮及び引張下にあり、任意の層がホウ素若しくは窒素(又はいくつかの他の元素)でドープできる擬似格子整合構造を作ることができる。この場合には、電気的及びデバイス特性は、歪み誘起の電気的不連続から生じる。
9.リンは、CVDダイヤモンドにおいてn型ドーパントであることが最近示された(KoizumiのDiam Films 1997を参照)(S. Koizumiらの“Growth and characterization of phosphorus doped n−type diamond thin films”,Diamond and Related Materials 7,540−544頁(1998)を参照)。しかしながら、リンは、炭素、窒素又はホウ素よりも相当に大きな原子であり(Pの共有結合半径はNよりも1.57倍大きく、Bよりも1.25倍大きい)(K. W. BoerのSurvey of Semiconductor Physics,25頁,van Nostrand(1990)を参照)、このためダイヤモンド中に組み込むことができるリンの量には限界があり、デバイスの潜在的な電気性能を制限する。13Cはダイヤモンド格子を小さくし、リンは該格子を広げるので、12C、13C及び高濃度のリンから成る合金組成物を作り出すことが可能である。その結果、このことによってデバイス性能により好適であるより高いリン濃度をもたらすことができる。
10.硫黄は、CVDダイヤモンドにおいてn型ドーパントであることが最近示された(KoizumiのDiam Films 1997、M. N. Gumoらの“Sulfur:A New Donor Dopant for N−TYPE DIAMOND SEMICONDUCTORS,Applied Diamond Conference/Frontier Carbon Technology Joint Conference(1999)54頁”を参照)。しかしながら、硫黄は、炭素、窒素又はホウ素よりも相当に大きな原子であり(Sの共有結合半径はNよりも1.49倍大きく、Bよりも1.09倍大きい)(CRC Materials Science and Engineering Handbook,18頁,CDC Press(1994)を参照)、このためダイヤモンド中に組み込むことができる硫黄の量には限界があり、デバイスの潜在的な電気性能を制限する。13Cはダイヤモンド格子を小さくし、硫黄は該格子を広げるので、12C、13C及び高濃度の硫黄から成る合金組成物を作り出すことが可能である。その結果、このことによってデバイス性能により好適であるより高い硫黄濃度をもたらすことができる。
11.項目8及び9(又は項目8及び10)を組み合せ、ホウ素ドープダイヤモンド層、続いてリン又は硫黄ドープダイヤモンド層を成長させることによって、多くの半導体デバイスに必要なp−n接合を作り出すことができる。合金組成物を用いることの利点は、ダイヤモンドにおいて従来の半導体デバイスの操作を可能にする非常に高レベルの電気的に活性なキャリヤーを得ることである。ダイヤモンドの半導体デバイスは、任意の他の半導体デバイス材料よりも高電力レベル、高温度、及び高速度で作用することが期待される。
12.本発明の方法は、通常の同位体炭素から単結晶ダイヤモンドを成長させるのに使用でき、例えば、天然ダイヤモンドとCVD成長の単結晶ダイヤモンドとの間の混同を防ぐことが望ましい場合、宝石などの特定の物品に使用するCVD単結晶ダイヤモンドであるときには、ダイヤモンドの起源を同定するためのマーカを提供することを目的として、13Cダイヤモンド層を散在させるのに使用できる。あるいは、単結晶全体が少量の13C炭素で成長させることができ、さらに検知の方法も提供できる。このような検知の方法は、高分解能X線回折、ラマン分光、及び質量分析であり、そのそれぞれが同位体含有量を測定するのに使用できる。例えば、ラマン法は、格子間隔を大きくするか、又は小さくすることによって生じる結晶構造の小さな変化を示す。
【0050】
CVDダイヤモンドは、天然又は高圧のダイヤモンドと実質的に同じである。本発明の方法及び組成物は、単結晶ダイヤモンドが、大量のダイヤモンド製品を製造するための初期工程として使用できるプレート又は他の基材の形態で与えられることを可能にする。さらに該方法は、鋸引き及びラップ仕上など、かなりの数の製作工程を省き、有用な製品の生産を向上させるのに使用できる。さらには、CVD単結晶ダイヤモンドの品質は、天然又は高圧合成ダイヤモンドと等しいか又はそれ以上であるので、結果として得られる製品は、高品質であり、破損がより少なく、より高い光伝送等を有する。それゆえ本発明は、宝石、メス、ワイヤーダイ、ミクロトーム、ヒートスプレッダ、光学窓、ナイフ、切削工具、及び単結晶ダイヤモンドの能動デバイス用基材について、本明細書で記載されるCVD単結晶ダイヤモンドプレートの使用を含む。
【0051】
特に好ましい実施態様においては、該方法は、百万分率(ppma)で約0.005〜約10,000ppma、好ましくは約0.05ppma〜約3000ppmaのホウ素濃度を有するダイヤモンド層を与えるのに使用できる。このような層は、(気相の炭素に関して)それぞれ約100ppma〜約300,000ppmaと、約1000ppma〜約100,000ppmaの濃度で前駆体ガス中にホウ素を取り込むことによって、CVD技術を用いて成長させることができる。
【0052】
(ホウ素などの)1つのドーパントを有するダイヤモンド層は、歪みのないドープ層を与えるために、(窒素などの)他のドーパントを含有する層に調和した格子にすることができる。これは、結果として得られる格子定数の変化と不純物濃度を関連づける上述の式によって与えられるように、適切なある程度の不純物濃度を取り入れることで達成できる。加えて、仕様に合った歪みを有するダイヤモンド層は、所望の格子不整合を作り出す選択された不純物レベルで以って層を成長させることにより作り出すことができる。このような構造は、非ドープ層、並びに/又はホウ素、窒素、リン、硫黄及び/若しくは同位体の増大を含む層から成ることができる。
【0053】
ダイヤモンド全体又は個々の層は、前駆体ガスにホウ素を添加して、ダイヤモンド中に約0.05ppmaから約3000ppmaに及ぶホウ素濃度を与えることによって、それぞれ空色から非常に濃い青色に及ぶ青の色合いを有するよう作製できる。このような膜においては、450nm〜7μmの波長についての光吸収係数は、ドーピング含量が増すにつれて、及び厚さが増すにつれて増加する。
【0054】
前駆体ガスにホウ素を添加して、ダイヤモンド中に約0.005ppma〜約10,000ppma(好ましくは約0.01ppma〜約3000ppma)のホウ素濃度を与えることによって、室温の電気抵抗率が約100,000Ω・cm〜約0.01Ω・cm、好ましくは約5000Ω・cm〜約0.02Ω・cmの単一のダイヤモンド又は個々の層を作製できる。このようなホウ素ドープ層はまた、バンドギャップの不連続を有する層の接合を作り出すために、同位体濃縮層とともに成長させることもできる。例えば、自然同位体非ドープ層上のホウ素ドープ13C濃縮層は、非ドープ層よりも広いバンドギャップを有するドープ層を作り出す。このような層は、バンドギャップの不連続がない構造に比べて、向上した電気的性質を与えることが期待できる。
【0055】
本発明の別の実施態様においては、発明者らは、本明細書で説明されるCVDプロセスによって成長された通常同位体の単結晶ダイヤモンドが、室温で2200W/mKを大きく超える熱伝導率を有することを見出した。熱伝導率の測定は、ダイヤモンド試料の一方の側に熱源を適用し、該試料の反対側の温度を測定することによって行った。装置は、アルミニウム、銅及び窒素ドープダイヤモンドを測定することで校正され、室温で3200W/mKの熱伝導率を与えることを見出した。
【0056】
これは、これまで任意の技術によって製造された自然同位体存在率のダイヤモンド(単結晶又は多結晶)について最も高い熱伝導率である。自然同位体分布を有するすべての先の天然及び合成ダイヤモンドが、2500W/mK以下の熱伝導率であるので、この高熱伝導率は従来技術からは全く期待されない。
【0057】
本明細書で製造される単結晶ダイヤモンドは、ワイヤーダイとして試験され、天然又は高圧合成のダイヤモンド結晶を用いて作製されたダイよりも高い生産量の高品質ワイヤーをもたらした。これらの結果は、本発明の製品がより長い工具寿命を通して向上した性能を与えることを実証する。
【0058】
高電力レーザー又はマイクロ波デバイス用ヒートスプレッダの要件の工学計算は、冷却効果がダイヤモンドの熱伝導率、ダイヤモンドの厚さ及び直径に直接的に関係していることを示す。このことは、ダイヤモンドの熱伝導率を増加させることによってヒートスプレッダの性能を向上できるということ、又はより少ないダイヤモンドを用いることによってコストを低減できるということを示す。さらには、例外的に高い熱伝導率のダイヤモンドに期待できる能力は、(1)高レーザー損傷閾値、(2)向上したワイヤーダイ寿命を含めてこの材料において示される。それゆえ、本発明の単結晶ダイヤモンドは、同位体濃縮の高コストなしに(本プロセスの炭素前駆体コストは実質的には無視できる)、同位体濃縮ダイヤモンドの性能を有するようである。
【0059】
単結晶合成ダイヤモンドは、高圧法(米国特許第5,127,983号明細書)によって成長され、室温で2200〜2500W/mKの最大熱伝導率を示すことが見出された。高圧ダイヤモンドは、縁を下にして数ミリメートルサイズの独立した結晶として成長される。これらの大きな結晶は、研磨することにより熱伝導率の正確な測定を行うことができるスラブに容易に製作できる。単結晶ダイヤモンドは、天然のダイヤモンド結晶、高圧成長のダイヤモンド結晶、又はCVD成長のダイヤモンド結晶に源を発することのできる単結晶シード上への成長でCVD法によって製造される。単結晶ダイヤモンドシード上のダイヤモンドの成長は、熱フィラメント、マイクロ波プラズマ、DCプラズマ、及びセ氏800〜1500度の温度での燃焼炎を用いた、メタン又は他の炭化水素前駆体から実証されている(米国特許第5,628,824号明細書、同第5,387,310号明細書、同第5,470,21号明細書、同第5,653,952号明細書)。これらの結晶に関して熱伝導率の測定報告がない。というのも、一つには、上に挙げたプロセスが、CVDダイヤモンド結晶をダイヤモンドシード結晶に付着させたままにしているためであり、一つには、該ダイヤモンド結晶は、たとえ該シード結晶から取り出されても、熱伝導率の有意な測定を行うには薄すぎるためである。
【0060】
CVD結晶は、いくつかの手段によってそのシード結晶から取り出すことができる。シード結晶は、その技術分野で周知の方法でダイヤモンド粗粒子を有するシード結晶をどんどん研削することによって除去できる(Gridinsky)。あるいはまた、シード結晶は、産業用及び宝石用ダイヤモンドをカットするのに一般に用いられる、ダイヤモンドを含浸したダイヤモンド砥石で鋸引きすることにより除去できる(Field)。シード結晶からCVDダイヤモンドを取り出すためのさらに別の方法においては、犠牲層がダイヤモンドのシード表面に作製され、CVDダイヤモンドがこの犠牲層の上面に成長され、続いて犠牲層が除去され、独立したダイヤモンド結晶プレートを与える。このような犠牲層を作製及びそれを除去する方法は、酸化雰囲気で電気分解若しくは加熱すること(米国特許第5,587,210号)、ダイヤモンドが成長できかつ酸浸出と酸化の組み合せによって除去できる多孔質構築物を作ること(米国特許第5,443,032号、同第5,614,019号)、又は酸化若しくは他の処理によって除去できる非ダイヤモンド材料の層を堆積させること(米国特許第5,290,392号)から成る酸化除去プロセスがその後に続く、シード表面の下に非ダイヤモンド層を形成するイオン注入である。これらすべての場合において、天然及び高圧ダイヤモンドシード結晶から厚い単結晶ダイヤモンドを成長及び除去することが要求及び主張されている。しかしながら、これらのプロセスのうち、現に以前に実施され、熱伝導率、不純物量について又は工具、ワイヤーダイ、窓、若しくはヒートスプレッダを製作するのに十分高品質の厚い結晶を製造しているものはない。実際には、上記プロセス特許で説明されている成長速度は、経済的には実現可能でないほどゆっくりであり、任意の商業に有用なCVDダイヤモンド結晶を製造するのに何百時間もかかる。
【0061】
本発明においては、高熱伝導率の単結晶ダイヤモンドは、以下のように成長させることで得られる。即ち、(1)少なくとも約20μm、好ましくは50μm、より好ましくは少なくとも約75又は100μmでさえある厚さのダイヤモンド結晶が、天然ダイヤモンド結晶、合成高圧ダイヤモンド結晶、又は合成CVDダイヤモンド結晶から選択できる単結晶シード上に成長され、(2)該ダイヤモンド結晶が、炭化水素ガス及び水素から成長され、酸素を含有してもしなくても良く、原子状水素リッチであり、(3)CVD成長が10μm/hを超える成長速度で実行され、CVD成長結晶が、研削、鋸引き、犠牲層の使用、又は有用であると思われる他の除去方法によりシード結晶から取り出され、(4)出発ガス組成物の窒素含有量が、10〜20ppmより少ない窒素を結晶中に置換部位及び/又は格子間部位に取り込ませた、最終CVDダイヤモンド結晶を結果として得るほど十分低い。これらの条件を満たすと、その場合には、製造される単結晶ダイヤモンドは、2200W/mKよりも大きな熱伝導率を有し、該材料は、工具、ワイヤーダイ、光学窓、及びヒートスプレッダとしての使用に要求されるサイズ及び品質である。
【0062】
[試験方法]
本出願で説明される種々のパラメータは、任意の好適な方式において決定できる。本特許請求の範囲のために、これらのパラメータは、以下に説明される方法によって決定される。
【0063】
[熱伝導率]
ダイヤモンドの熱伝導率を測定する方法は、文献(J. E. Graebnerの“Thermal Measurement Techniques”,193−226頁,Handbook of Industrial Diamond and Diamond Films,M. A. Prelas, G. Popovici及びL. K. Bigelow編,Marcel Dekker,Inc.(1998)を参照)において検討されている。その測定技術は、熱が試料の一部に加えられる定常状態加熱の使用を含み、試料の残りの部分に関する温度分布が測定される。試験の幾何学が線形である場合、熱伝導率(k)は、以下の式から推定できる。
k=加熱電力/σ×ΔT/Δx
式中、k=熱伝導率、加熱電力=ダイヤモンドを加熱するために加えられる電力、σ=断面積、ΔT/Δx=試料に沿った測定温度勾配である。
【0064】
放射経路及び代わりの伝導経路を含めて、他の熱損失のメカニズムを考慮するよう気をつけなければならない。ダイヤモンドの熱伝導率はまた、周期加熱を用い、熱波を発生させて測定でき、温度拡散率が測定される。周期加熱源は、直接接触加熱器のパルス加熱を介して、又は試料の一部を加熱する(レーザーなどの)光源のパルス操作によって試料に適用される。熱波の拡散は、熱電対又は赤外線温度センサーを用いて測定され、これにより温度拡散率が決定できる。該拡散率(D)は、以下の式によって熱伝導率(k)と関連づけられる。
k=D×c
式中、k=温度拡散率、c=熱容量/単位体積である。
【0065】
[窒素含有量]
ダイヤモンド中の窒素含有量を測定するのに用いられる方法がいくつかあり、最も適切な技術は、ダイヤモンド中に見出される窒素中心の種類によって決定され測定される。窒素はいくつかのダイヤモンド構成において存在でき、最も一般的な構成は、単置換形態(ssf)(孤立窒素原子が格子中の1つの炭素原子に置き換わる)、A中心(1対の隣接置換窒素原子)、及びB中心(格子空孔の周りに集まった4つの置換窒素原子に起因する)である(C. D. Clark, A. T. Collins及びG. S. Woodsの“Absorption and Luminescence Spectroscopy”,The Properties of Natural and Synthetic Diamond,J. E. Field編,Academic Press(1992)を参照)。ダイヤモンド中の窒素含有量は、質量分析、光吸収、及び電子スピン共鳴(esr)を用いて決定できる。(二次イオン質量分析(SIMS)などの)質量分析は、ダイヤモンド中の全形態の窒素を検出するのに使用できるので特に好ましいが、いくらか又はすべての試料を消費する。分光測定技術は非破壊であるが、ダイヤモンド中の特定形態の窒素にしかセンシティブでない。赤外吸収は、以下の補正係数を用いてさまざまな形態の窒素の窒素濃度を決定するのに使用できる。
ssf:濃度=22原子ppm/1cm−1吸収(1130cm−1
A中心濃度=17.5原子ppm/1cm−1吸収(1130cm−1
B中心濃度=103.8原子ppm/1cm−1吸収(1130cm−1
【0066】
(常磁性の)ssf形態はまた、esrを用いて公知のスピン濃度を有する基準吸収と、マイクロ波吸収を比較することによって測定できる。CVD及びHPHT成長ダイヤモンドについては、窒素はほとんどもっぱらssfに含まれることが見出され、それゆえ窒素濃度は、(ssf補正係数を用いた)赤外吸収、esr、及び/又は質量分析の何れかを用いて決定される。
【0067】
[ホウ素含有量]
同様に、ダイヤモンド中のホウ素含有量は、質量分析及び光吸収、並びに電気的測定を用いて決定できる。3563nmでの吸収は、以下の式によって未補正のホウ素濃度を与える。
[N−N](cm−3)=0.54×1014=吸光度(1cm−1)(3563nm)
式中、N=全ホウ素濃度、N=(上に与えられた技術のうち1つを用いて決定できる)単置換形態の窒素濃度である。ホウ素濃度はまた、電気的中性の十分に確立された式を用いて、温度の関数として電気キャリヤー濃度を分析することでも決定できる(J. S. BlakemoreのSemiconductor Statistics,Dover Publications(1987)を参照)。
【0068】
ダイヤモンドの同位体含有量は、質量分析、X線回折、及びラマン分光を用いて決定できる。ダイヤモンドの同位体含有量を決定する最も正確な方法は、SIMS又はダイヤモンドを焼成することで作製される燃焼生成物の分析など、質量分析技術を用いることである。このような技術は、0.01%レベルの実証された分解能で同位体含有量の測定を可能にし(T. R. Anthonyらの“Thermal diffusivity of isotopically enriched 12C diamond”Physical Review B42,1105頁(1990)を参照)、一方で、SIMS測定は、適切な測定技術が用いられ、標準試料が入手できる場合には、10億分の1の分解能が可能であることが公知である(J. M. Anthonyの“Ion Beam Characterization of Semiconductors”,Semiconductor Characterization;Present Status and Future Needs,W. M. Bullis, D. G. Seiler及びA. C. Diebold編,AIP Press(1996)を参照)。質量分析技術では、測定中にいくらか又はすべてのダイヤモンドを破壊することが必要とされることを認識しなければならない。(以下に記載する)X線回折及びラマン分光は、非破壊の方法でダイヤモンドの同位体含有量を測定するのに使用できるが、測定精度は、使用する装置及びダイヤモンドの品質に左右される。高分解能X線回折は、格子定数を測定するのに使用でき、測定された格子定数は、先に与えた式を用いてダイヤモンドの同位体含有量を決定するのに使用できる。X線分析を用いて原子パーセントレベルで同位体含有量を決定するためには、格子定数は0.00005Åの分解能で測定されなければならないことに注意すべきである。これは、非常に完全なモノクロメータ結晶を有しかつ試料の回転を含む、二結晶回折計などの高分解能X線回折装置の使用を必要とする。このような測定のアプローチは、Bartelsによって説明されている(W. J. BartelsのJournal of Vacuum Science and Technology,B1,338頁(1983)を参照)。1%未満の分解能で同位体含有量を測定するためには、測定精度の更なる向上が必要である。同位体含有量はまた、K. C. Hassらによって説明される同位体依存を用いて、一次の1−フォノンラマンバンドのピーク位置を測定することにより決定することもできる(K. C. Hassらの“Lattice dynamics and Raman spectra of isotopically mixed diamond”,Physical Review B45,7171−7182頁(1992)を参照)。ラマンバンドの位置は、100%12C〜100%13Cの同位体変化について、1332cm−1〜1281cm−1にシフトし、位置変化は同位体含有量とほとんど直線的である。したがって、ラマン分光を用いて同位体含有量における1%の変化を測定するために、ラマン線の位置は、0.5cm−1未満の確実性で測定されなければならない。これは、測定が高分解能のラマン分光計を用いて実施されることを必要とし、ダイヤモンド品質が0.5cm−1未満のラマン線幅を与えるのに十分高いことを必要とする。1%未満の分解能で同位体含有量を測定するためには、測定精度の更なる向上が必要である。
【0069】
特定のダイヤモンドの同位体含有量を測定するのに使用する適切な技術の選択は、上述されるように、必要とされる精度、及び消費できる試料の入手可能性に依存している。
【0070】
以下の限定的でない例が本発明を説明するために与えられる。
【実施例】
【0071】
[例1]
[熱フィラメント法を用いたタイプIA天然ダイヤモンド上での(100)配向単結晶ダイヤモンドの成長]
天然のタイプIAダイヤモンド単結晶を、ダイヤモンドを含浸した鋸でスライスして(100)配向の基材を与える。オリーブ油中に懸濁され、鋳鉄プレートに含浸されたダイヤモンド粗粒子で以って該基材を研磨し、溝、引掻き傷、又は穴(digs)のない表面にする。次いで、この基材を超音波洗浄器において高温の洗浄剤で洗浄し、アセトンでリンスして乾燥する。洗浄に続いて、モリブデンホルダー内に保持されたタングステンフィラメントから成る基材ヒータを有し、かつ基材からおよそ10mmにレニウムフィラメントを有する熱フィラメント化学気相成長反応器(HFCVD)に該基材を配置する。該反応器を10mtorr未満の圧力に排気し、次いで、速度100sccmで以って99.999%純度の水素で40torrの圧力に充填する。
【0072】
レニウムフィラメントに電力を加えて2100℃の温度にし、線状消失式光高温計により測定される950℃の温度に基材が達するまで、電力を基材ヒータに加える。5分間フィラメントと基材の温度を一定に保った後、最終混合ガスを99%水素及び1%メタンにして、一方で合計ガス流量を100sccmに維持するように、メタンガスをガス流に加える。水素の一部はフィラメントの表面で原子状水素に転化し、メタンは基材表面で原子状水素の存在下において分解して、ダイヤモンドのエピタキシャル層を形成する。1μm/hの速度で24時間成長を維持して、24μm厚さの単結晶堆積物を形成する。この期間の最後でメタン流を停止し、フィラメントの電力供給と基材の電力供給を停止して、膜を備えた基材を室温まで冷却する。この時点で反応器を排気してすべての水素を除去し、次いで室内空気で満たして大気圧にする。
【0073】
付着ダイヤモンド膜を備えた単結晶ダイヤモンド基材を取り出し、クロム酸と硫酸の混合液において250℃の温度で洗浄して、残留する非ダイヤモンド炭素をダイヤモンド表面から除去し、単結晶シードに付着した単結晶ダイヤモンド膜を残す。
【0074】
(100)配向の非ドープ単結晶ダイヤモンドプレートが得られ、およそ24μmの厚さを有する。
【0075】
[例2]
[熱フィラメント法を用いたタイプIIA天然ダイヤモンド上での(100)配向単結晶ダイヤモンドの成長]
天然のタイプIIAダイヤモンド単結晶を、ダイヤモンドを含浸した鋸でスライスして(100)配向の基材を与える。オリーブ油中に懸濁され、鋳鉄プレートに含浸されたダイヤモンド粗粒子で以って該基材を研磨し、溝、引掻き傷、又は穴のない表面にする。次いで、該基材を超音波洗浄器において高温の洗浄剤で洗浄し、アセトンでリンスして乾燥する。洗浄に続いて、モリブデンホルダー内に保持されたタングステンフィラメントから成る基材ヒータを有し、かつ基材からおよそ10mmにレニウムフィラメントを有する熱フィラメント化学気相成長反応器(HFCVD)に該基材を配置する。該反応器を10mtorr未満の圧力に排気し、速度100sccmで以って99.999%純度の水素で40torrの圧力に充填する。
【0076】
レニウムフィラメントに電力を加えて2100℃の温度にし、線状消失式光高温計により測定される950℃の温度に基材が達するまで、電力を基材ヒータに加える。5分間フィラメントと基材の温度を一定に保った後、最終混合ガスを99%水素及び1%13Cメタンにして、一方で合計ガス流量を100sccmに維持するように、13Cに関して濃縮したメタンガスをガス流に加える。水素の一部はフィラメントの表面で原子状水素に転化し、メタンは基材表面で原子状水素の存在下において分解して、ダイヤモンドのエピタキシャル層を形成する。1μm/hの速度で24時間成長を維持して、24μm厚さの単結晶堆積物を形成する。この期間の最後でメタン流を停止し、フィラメントの電力供給と基材の電力供給を停止して、膜を備えた基材を室温まで冷却する。この時点で反応器を排気してすべての水素を除去し、次いで室内空気で満たして大気圧にする。付着ダイヤモンド膜を備えた単結晶ダイヤモンド基材を取り出し、クロム酸と硫酸の混合液において250℃の温度で洗浄して、残留する非ダイヤモンド炭素をダイヤモンド表面から除去し、単結晶シードに付着した単結晶ダイヤモンド膜を残す。
【0077】
(100)配向の非ドープ単結晶ダイヤモンドプレートが得られ、およそ24μmの厚さを有する。
【0078】
[例3]
[熱フィラメント法を用いたタイプIB高圧合成ダイヤモンド上での(100)配向単結晶ダイヤモンドの成長]
高圧合成のタイプIbダイヤモンド単結晶を研削かつ研磨して、(100)配向の基材を与える。次いで、該基材を超音波洗浄器において高温の洗浄剤で洗浄し、アセトンでリンスして乾燥する。洗浄に続いて、モリブデンホルダー内に保持されたタングステンフィラメントから成る基材ヒータを有し、かつ基材からおよそ10mmにレニウムフィラメントを有する熱フィラメント化学気相成長反応器(HFCVD)に該基材を配置する。該反応器を10mtorr未満の圧力に排気し、次いで、速度100sccmで以って99.999%純度の水素で40torrの圧力に充填する。
【0079】
レニウムフィラメントに電力を加えて2100℃の温度にし、線状消失式光高温計により測定される1000℃の温度に基材が達するまで、電力を基材ヒータに加える。5分間フィラメントと基材の温度を一定に保った後、最終混合ガスを99%水素及び1%アセトンにして、一方で合計ガス流量を100sccmに維持するように、アセトン蒸気をガス流に加える。水素の一部はフィラメントの表面で原子状水素に転化し、アセトンは基材表面で原子状水素の存在下において分解して、ダイヤモンドのエピタキシャル層を形成する。1μm/hの速度で48時間成長を維持して、48μm厚さの単結晶堆積物を形成する。この期間の最後でアセトン流を停止し、フィラメントの電力供給と基材の電力供給を停止して、膜を備えた基材を室温まで冷却する。この時点で反応器を排気してすべての水素を除去し、次いで室内空気で満たして大気圧にする。
【0080】
付着ダイヤモンド膜を備えた単結晶ダイヤモンド基材を取り出し、クロム酸と硫酸の混合液において250℃の温度で洗浄して、残留する非ダイヤモンド炭素をダイヤモンド表面から除去する。洗浄後、該基材及びダイヤモンドを、ダイヤモンド粗粒子を含浸した銅ブレードを有する鋸に取り付け、シードダイヤモンドを鋸引きして単結晶シードから単結晶ダイヤモンド膜を分離する。
【0081】
(100)配向の非ドープ単結晶ダイヤモンドプレートが得られ、およそ48μmの厚さを有する。
【0082】
[例4]
[熱フィラメント法を用いたタイプIB高圧合成ダイヤモンド上での(100)配向のホウ素ドープ単結晶ダイヤモンドの成長]
高圧合成のタイプIbダイヤモンド単結晶を研削かつ研磨して、(100)配向の基材を与える。次いで、該基材を超音波洗浄器において高温の洗浄剤で洗浄し、アセトンでリンスして乾燥する。洗浄に続いて、モリブデンホルダー内に保持されたタングステンフィラメントから成る基材ヒータを有し、かつ基材からおよそ10mmにレニウムフィラメントを有する熱フィラメント化学気相成長反応器(HFCVD)に該基材を配置する。該反応器を10mtorr未満の圧力に排気し、次いで、速度100sccmで以って99.999%純度の水素で40torrの圧力に充填する。
【0083】
レニウムフィラメントに電力を加えて2100℃の温度にし、線状消失式光高温計により測定される1000℃の温度に基材が達するまで、電力を基材ヒータに加える。5分間フィラメントと基材の温度を一定に保った後、最終混合ガスを、1000ppmのホウ酸メチルを含有する99%水素及び1%アセトンにして、一方で合計ガス流量を100sccmに維持するように、アセトン蒸気をガス流に加える。水素の一部はフィラメントの表面で原子状水素に転化し、アセトンは基材表面で原子状水素の存在下において分解して、ダイヤモンドのエピタキシャル層を形成する。1μm/hの速度で12分間成長を維持して、0.2μm厚さのホウ素ドープ単結晶堆積物を形成する。この期間の最後でアセトン流を停止し、フィラメントの電力供給と基材の電力供給を停止して、膜を備えた基材を室温まで冷却する。この時点で反応器を排気してすべての水素を除去し、次いで室内空気で満たして大気圧にする。
【0084】
付着ダイヤモンド膜を備えた単結晶ダイヤモンド基材を取り出し、クロム酸と硫酸の混合液において250℃の温度で洗浄して、残留する非ダイヤモンド炭素をダイヤモンド表面から除去する。洗浄後、付着した単結晶のホウ素ドープ膜ダイヤモンドを備えた基材を、ファンデルホール(van der Pauw)試験システムに装備して抵抗率及び移動度を測定する。
【0085】
およそ0.2μmの厚さを有する(100)ホウ素ドープ単結晶ダイヤモンド膜が成長し、単結晶ダイヤモンド基材に付着している。
【0086】
[例5]
[熱フィラメント法を用いたCVD成長単結晶合成ダイヤモンド上での(100)配向の13C単結晶ダイヤモンドの成長]
(100)配向を有する研磨されたCVD成長ダイヤモンドの単結晶を、超音波洗浄器において高温の洗浄剤で洗浄し、アセトンでリンスして乾燥する。洗浄に続いて、モリブデンホルダー内に保持されたタングステンフィラメントから成る基材ヒータを有し、かつ基材からおよそ10mmにレニウムフィラメントを有する熱フィラメント化学気相成長反応器(HFCVD)に該基材を配置する。該反応器を10mtorr未満の圧力に排気し、次いで、速度100sccmで以って99.999%純度の水素で40torrの圧力に充填する。
【0087】
レニウムフィラメントに電力を加えて2100℃の温度にし、線状消失式光高温計により測定される950℃の温度に基材が達するまで、電力を基材ヒータに加える。5分間フィラメントと基材の温度を一定に保った後、最終混合ガスを99%水素及び1%13Cメタンにして、一方で合計ガス流量を100sccmに維持するように、13Cに関して濃縮したメタンガスをガス流に加える。水素の一部はフィラメントの表面で原子状水素に転化し、メタンは基材表面で原子状水素の存在下において分解して、ダイヤモンドのエピタキシャル層を形成する。1μm/hの速度で24時間成長を維持して、24μm厚さの単結晶堆積物を形成する。この期間の最後でメタン流を停止し、フィラメントの電力供給と基材の電力供給を停止して、膜を備えた基材を室温まで冷却する。この時点で反応器を排気してすべての水素を除去し、次いで室内空気で満たして大気圧にする。
【0088】
付着ダイヤモンド膜を備えた単結晶ダイヤモンド基材を取り出し、クロム酸と硫酸の混合液において250℃の温度で洗浄して、残留する非ダイヤモンド炭素をダイヤモンド表面から除去し、通常同位体のダイヤモンドシードに付着した単結晶13Cダイヤモンド膜を残す。
【0089】
(100)配向の非ドープ13C単結晶ダイヤモンドプレートが得られ、およそ24μmの厚さを有する。
【0090】
[例6]
[熱フィラメント法を用いたCVD成長単結晶合成ダイヤモンド上での(100)配向のホウ素と13Cを共ドープした単結晶ダイヤモンド膜の成長]
(100)配向を有する研磨されたCVD成長ダイヤモンドの単結晶を、超音波洗浄器において高温の洗浄剤で洗浄し、アセトンでリンスして乾燥する。洗浄に続いて、モリブデンホルダー内に保持されたタングステンフィラメントから成る基材ヒータを有し、かつ基材からおよそ10mmにレニウムフィラメントを有する熱フィラメント化学気相成長反応器(HFCVD)に該基材を配置する。該反応器を10mtorr未満の圧力に排気し、次いで、速度100sccmで以って99.999%純度の水素で40torrの圧力に充填する。
【0091】
レニウムフィラメントに電力を加えて2100℃の温度にし、線状消失式光高温計により測定される950℃の温度に基材が達するまで、電力を基材ヒータに加える。5分間フィラメントと基材の温度を一定に保った後、最終混合ガスを、100ppmのジボランを含有する99%水素及び1%13Cメタンにして、一方で合計ガス流量を100sccmに維持するように、13C及びジボランに関して濃縮したメタンガスをガス流に加える。水素の一部はフィラメントの表面で原子状水素に転化し、メタンは基材表面で原子状水素の存在下において分解して、ダイヤモンドのエピタキシャル層を形成する。1μm/hの速度で10分間成長を維持して、0.17μm厚さの単結晶堆積物を形成する。この期間の最後でメタン流を停止し、フィラメントの電力供給と基材の電力供給を停止して、膜を備えた基材を室温まで冷却する。この時点で反応器を排気してすべての水素を除去し、次いで室内空気で満たして大気圧にする。
【0092】
付着ダイヤモンド膜を備えた単結晶ダイヤモンド基材を取り出し、クロム酸と硫酸の混合液において250℃の温度で洗浄して、残留する非ダイヤモンド炭素をダイヤモンド表面から除去し、通常同位体の単結晶ダイヤモンドシードに付着した、ホウ素ドープ単結晶13Cダイヤモンド膜を残す。
【0093】
CVD単結晶ダイヤモンド基材に付着した、(歪みの低減された)ホウ素及び13Cドープ単結晶ダイヤモンド膜が成長し、該膜は(100)配向とおよそ0.17μmの厚さを有する。
【0094】
[例7]
[熱フィラメント法を用いたCVD成長単結晶合成ダイヤモンド上での(100)配向のリンと13Cを共ドープした単結晶ダイヤモンド膜の成長]
(100)配向を有する研磨されたCVD成長ダイヤモンドの単結晶を、超音波洗浄器において高温の洗浄剤で洗浄し、アセトンでリンスして乾燥する。洗浄に続いて、モリブデンホルダー内に保持されたタングステンフィラメントから成る基材ヒータを有し、かつ基材からおよそ10mmにレニウムフィラメントを有する熱フィラメント化学気相成長反応器(HFCVD)に該基材を配置する。該反応器を10mtorr未満の圧力に排気し、次いで、速度100sccmで以って99.999%純度の水素で40torrの圧力に充填する。
【0095】
レニウムフィラメントに電力を加えて2100℃の温度にし、線状消失式光高温計により測定される950℃の温度に基材が達するまで、電力を基材ヒータに加える。5分間フィラメントと基材の温度を一定に保った後、最終混合ガスを、100ppmのホスフィンを含有する99%水素及び1%13Cメタンにして、一方で合計ガス流量を100sccmに維持するように、13C及びホスフィンに関して濃縮したメタンガスをガス流に加える。水素の一部はフィラメントの表面で原子状水素に転化し、メタンは基材表面で原子状水素の存在下において分解して、ダイヤモンドのエピタキシャル層を形成する。1μm/hの速度で10分間成長を維持して、0.17μm厚さの単結晶堆積物を形成する。この期間の最後でメタン流を停止し、フィラメントの電力供給と基材の電力供給を停止して、膜を備えた基材を室温まで冷却する。この時点で反応器を排気してすべての水素を除去し、次いで室内空気で満たして大気圧にする。
【0096】
付着ダイヤモンド膜を備えた単結晶ダイヤモンド基材を取り出し、クロム酸と硫酸の混合液において250℃の温度で洗浄して、残留する非ダイヤモンド炭素をダイヤモンド表面から除去し、通常同位体の単結晶ダイヤモンドシードに付着した、リンドープ単結晶13Cダイヤモンド膜を残す。
【0097】
(歪みの低減された)リン及び13C共ドープ単結晶ダイヤモンド膜が、(100)配向を有するCVD単結晶ダイヤモンド基材上に形成し、該膜は同様に(100)配向であり、およそ0.17μmの厚さを有する。
【0098】
[例8]
[CVD成長単結晶合成ダイヤモンド上に、ホウ素ドープ単結晶ダイヤモンド層、次いで非ドープ単結晶ダイヤモンド層を有する、熱フィラメント法を用いた構築物の成長]
(100)配向と75μmの厚さを有する研磨されたCVD成長ダイヤモンドの単結晶を、超音波洗浄器において高温の洗浄剤で洗浄し、アセトンでリンスして乾燥する。洗浄に続いて、モリブデンホルダー内に保持されたタングステンフィラメントから成る基材ヒータを有し、かつ基材からおよそ10mmにレニウムフィラメントを有する熱フィラメント化学気相成長反応器(HFCVD)に該基材を配置する。該反応器を10mtorr未満の圧力に排気し、次いで、速度100sccmで以って99.999%純度の水素で40torrの圧力に充填する。レニウムフィラメントに電力を加えて2100℃の温度にし、線状消失式光高温計により測定される950℃の温度に基材が達するまで、電力を基材ヒータに加える。5分間フィラメントと基材の温度を一定に保った後、最終混合ガスを、1000ppmのジボランを含有する99%水素及び1%メタンにして、一方で合計ガス流量を100sccmに維持するように、メタンガスとジボランをガス流に加える。水素の一部はフィラメントの表面で原子状水素に転化し、メタンは基材表面で原子状水素の存在下において分解して、ダイヤモンドのエピタキシャル層を形成する。1μm/hの速度で15分間成長を維持して、0.25μm厚さの単結晶堆積物を形成する。この期間の最後でジボラン流を停止し、メタン流をさらに75時間続ける。この期間の最後でメタン流を停止し、フィラメントの電力供給と基材の電力供給を停止して、膜を備えた基材を室温まで冷却する。この時点で反応器を排気してすべての水素を除去し、次いで室内空気で満たして大気圧にする。
【0099】
付着ダイヤモンド膜を備えた単結晶ダイヤモンド基材を取り出し、クロム酸と硫酸の混合液において250℃の温度で洗浄して、残留する非ダイヤモンド炭素をダイヤモンド表面から除去し、150μm厚さのダイヤモンド結晶に埋め込まれたホウ素ドープ単結晶ダイヤモンド層を残す。
【0100】
75μm厚さの非ドープCVDダイヤモンド、次いで0.25厚さのホウ素ドープ単結晶ダイヤモンド層、次に75μm厚さのCVD単結晶ダイヤモンド層を有する、(100)配向の単結晶ダイヤモンド構築物が形成される。
【0101】
[例9]
[CVD成長単結晶合成ダイヤモンド上に、ホウ素ドープ単結晶ダイヤモンドと非ドープ単結晶ダイヤモンドの交互層を有する、熱フィラメント法を用いた構築物の成長]
(100)配向と75μmの厚さを有する研磨されたCVD成長ダイヤモンドの単結晶を、超音波洗浄器において高温の洗浄剤で洗浄し、アセトンでリンスして乾燥する。洗浄に続いて、モリブデンホルダー内に保持されたタングステンフィラメントから成る基材ヒータを有し、かつ基材からおよそ10mmにレニウムフィラメントを有する熱フィラメント化学気相成長反応器(HFCVD)に該基材を配置する。該反応器を10mtorr未満の圧力に排気し、次いで、速度100sccmで以って99.999%純度の水素で40torrの圧力に充填する。
【0102】
レニウムフィラメントに電力を加えて2100℃の温度にし、線状消失式光高温計により測定される950℃の温度に基材が達するまで、電力を基材ヒータに加える。5分間フィラメントと基材の温度を一定に保った後、最終混合ガスを、1000ppmのジボランを含有する99%水素及び1%メタンにして、一方で合計ガス流量を100sccmに維持するように、メタンガスとジボランをガス流に加える。水素の一部はフィラメントの表面で原子状水素に転化し、メタンは基材表面で原子状水素の存在下において分解して、ダイヤモンドのエピタキシャル層を形成する。1μm/hの速度で1.2分間成長を維持して、0.02μm厚さのホウ素ドープ単結晶堆積物を形成する。この期間の最後でジボラン流を停止し、メタン流をさらに1.2分間続けて0.02μm厚さの非ドープ層を作製する。このサイクルを1〜10回又はそれ以上繰返し、ホウ素ドープ及び非ドープ交互層の単結晶構築物を作製する。この期間の最後でメタン流を停止し、フィラメントの電力供給と基材の電力供給を停止して、膜を備えた基材を室温まで冷却する。この時点で反応器を排気してすべての水素を除去し、次いで室内空気で満たして大気圧にする。
【0103】
付着ダイヤモンド膜を備えた単結晶ダイヤモンド基材を取り出し、クロム酸と硫酸の混合液において250℃の温度で洗浄して、残留する非ダイヤモンド炭素をダイヤモンド表面から除去し、ホウ素ドープ及び非ドープ交互単結晶ダイヤモンド層のヘテロ構築物を残す。
【0104】
個々に0.02μm厚さで合計厚さが0.2μm厚さである、ホウ素ドープダイヤモンドと非ドープダイヤモンドの10枚の交互層から成る単結晶ダイヤモンド構築物が形成され、該構築物は、上部層が75μm厚さのCVD単結晶ダイヤモンドであり、すべてが(100)配向を有する。
【0105】
[例10]
[マイクロ波プラズマ法を用いたCVD成長単結晶合成ダイヤモンド上での(100)配向のホウ素ドープ単結晶ダイヤモンドの成長]
(100)配向と75μmの厚さを有する研磨されたCVD成長ダイヤモンドの単結晶を、超音波洗浄器において高温の洗浄剤で洗浄し、アセトンでリンスして乾燥する。洗浄に続いて、モリブデン基材ホルダーを有するマイクロ波プラズマ反応器(MWCVD)に該基材を配置する。該反応器を10mtorr未満の圧力に排気し、次いで、速度100sccmで以って99.999%純度の水素で40torrの圧力に充填する。
【0106】
マイクロ波発生器に電力を加えてプラズマボールを与え、線状消失式光高温計により測定される900℃の基材温度にする。5分間プラズマ電力と基材温度を一定に保った後、最終混合ガスを、1000ppmのジボランを含有する99%水素及び1%メタンにして、一方で合計ガス流量を100sccmに維持するように、メタンガスとジボランをガス流に加える。水素の一部はプラズマ中で原子状水素に転化し、メタンは基材表面で原子状水素の存在下において分解して、ダイヤモンドのエピタキシャル層を形成する。1μm/hの速度で250時間成長を維持して、250μm厚さの単結晶のホウ素ドープダイヤモンドを形成する。この期間の最後でジボラン流を停止し、メタン流をさらに75時間続ける。この期間の最後でメタン流を停止し、マイクロ波の電力供給を停止して、膜を備えた基材を室温まで冷却する。この時点で反応器を排気してすべての水素を除去し、次いで室内空気で満たして大気圧にする。
【0107】
付着ダイヤモンド膜を備えた単結晶ダイヤモンド基材を取り出し、クロム酸と硫酸の混合液において250℃の温度で洗浄して、残留する非ダイヤモンド炭素をダイヤモンド表面から除去し、非ドープ単結晶ダイヤモンドシードに付着したホウ素ドープ単結晶ダイヤモンド層250μm厚さのダイヤモンド結晶を残す。
【0108】
(100)配向のホウ素ドープ単結晶ダイヤモンドプレートが得られ、およそ250μmの厚さを有する。
【0109】
[例11]
[アークジェット法を用いたCVD成長単結晶合成ダイヤモンド上での(100)配向の単結晶ダイヤモンドの成長]
(100)配向と75μmの厚さを有する研磨されたCVD成長ダイヤモンドの単結晶を、超音波洗浄器において高温の洗浄剤で洗浄し、アセトンでリンスして乾燥する。洗浄に続いて、モリブデン基材ホルダーを有するアークジェットマイクロ波プラズマ反応器(MPCVD)に該基材を配置する。該反応器を10mtorr未満の圧力に排気し、次いで、速度5000sccmで以って99.999%純度の水素で100torrの圧力に充填する。
【0110】
電力を加えて水素流中にアークを生成し、線状消失式光高温計により測定される900℃の基材温度にする。5分間アーク電力と基材温度を一定に保った後、最終混合ガスを99%水素及び1%メタンにして、一方で合計ガス流量を5000sccmに維持するように、メタンガスをチャンバーに加える。水素の一部はガス流中で原子状水素に転化し、メタンは基材表面で原子状水素の存在下において分解して、ダイヤモンドのエピタキシャル層を形成する。10μm/hの速度で25時間成長を維持して、250μm厚さの単結晶非ドープダイヤモンドを形成する。この期間の最後でメタン流を停止し、アークの電力供給を停止して、膜を備えた基材を室温まで冷却する。この時点で反応器を排気してすべての水素を除去し、次いで室内空気で満たして大気圧にする。
【0111】
付着ダイヤモンド膜を備えた単結晶ダイヤモンド基材を取り出し、クロム酸と硫酸の混合液において250℃の温度で洗浄して、残留する非ダイヤモンド炭素をダイヤモンド表面から除去し、非ドープ単結晶ダイヤモンドシードに付着した非ドープ単結晶ダイヤモンド層250μm厚さのダイヤモンド結晶を残す。
【0112】
(100)配向の非ドープ単結晶ダイヤモンドプレートが得られ、およそ250μmの厚さを有する。
【0113】
[例12]
[燃焼法を用いたCVD成長単結晶合成ダイヤモンド上での単結晶ダイヤモンドの成長]
(100)配向と75μmの厚さを有する研磨されたCVD成長ダイヤモンドの単結晶を、超音波洗浄器において高温の洗浄剤で洗浄し、アセトンでリンスして乾燥する。洗浄に続いて、水冷のモリブデン基材ホルダーを有しかつ大気圧で操作する燃焼炎反応器(CFCVD)に該基材を配置する。アセチレンと酸素のガス混合物を用いて、線状消失式光高温計により測定される1000℃に基材を加熱する。炎と基材温度を5分間一定に保った後、組成が炭素リッチで、ダイヤモンドの成長が始まるようアセチレン濃度を上げた。水素の一部は炎中で原子状水素に転化し、アセチレンと他の炭化水素は基材表面で原子状水素の存在下において分解して、ダイヤモンドのエピタキシャル層を形成する。20μm/hの速度で25時間成長を維持して、500μm厚さの単結晶非ドープダイヤモンドを形成する。この期間の最後でアセチレン及び酸素流を停止し、膜を備えた基材を室温まで冷却する。
【0114】
付着ダイヤモンド膜を備えた単結晶ダイヤモンド基材を取り出し、クロム酸と硫酸の混合液において250℃の温度で洗浄して、残留する非ダイヤモンド炭素をダイヤモンド表面から除去し、非ドープ単結晶ダイヤモンドシードに付着した非ドープ単結晶ダイヤモンド層500μm厚さのダイヤモンド結晶を残す。
【0115】
(100)配向の非ドープ単結晶ダイヤモンドプレートが得られ、およそ500μmの厚さを有する。
【0116】
[例13]
[熱フィラメント法を用いたCVD成長単結晶合成ダイヤモンド上での(110)配向の単結晶ダイヤモンドの成長]
天然のタイプIAダイヤモンド単結晶を、ダイヤモンドを含浸した鋸でスライスして(110)配向の基材を与える。オリーブ油中に懸濁され、鋳鉄プレートに含浸されたダイヤモンド粗粒子で以って該基材を研磨し、溝、引掻き傷、又は穴のない表面にする。次いで、該基材を超音波洗浄器において高温の洗浄剤で洗浄し、アセトンでリンスして乾燥する。洗浄に続いて、モリブデンホルダー内に保持されたタングステンフィラメントから成る基材ヒータを有し、かつ基材からおよそ10mmにレニウムフィラメントを有する熱フィラメント化学気相成長反応器(HFCVD)に該基材を配置する。該反応器を10mtorr未満の圧力に排気し、次いで、速度100sccmで以って99.999%純度の水素で40torrの圧力に充填する。
【0117】
レニウムフィラメントに電力を加えて2100℃の温度にし、線状消失式光高温計により測定される950℃の温度に基材が達するまで、電力を基材ヒータに加える。5分間フィラメントと基材の温度を一定に保った後、最終混合ガスを99%水素及び1%メタンにして、一方で合計ガス流量を100sccmに維持するように、メタンガスをガス流に加える。水素の一部はフィラメントの表面で原子状水素に転化し、メタンは基材表面で原子状水素の存在下において分解して、ダイヤモンドのエピタキシャル層を形成する。1μm/hの速度で24時間成長を維持して、24μm厚さの単結晶堆積物を形成する。この期間の最後でメタン流を停止し、フィラメントの電力供給と基材の電力供給を停止して、膜を備えた基材を室温まで冷却する。この時点で反応器を排気してすべての水素を除去し、次いで室内空気で満たして大気圧にする。
【0118】
付着ダイヤモンド膜を備えた単結晶ダイヤモンド基材を取り出し、クロム酸と硫酸の混合液において250℃の温度で洗浄して、残留する非ダイヤモンド炭素をダイヤモンド表面から除去し、単結晶シードに付着した単結晶ダイヤモンド膜を残す。
【0119】
(100)配向の非ドープ単結晶ダイヤモンドプレートが得られ、およそ24μmの厚さを有する。
【0120】
[例14]
[熱フィラメント法を用いた天然単結晶合成ダイヤモンド上での(111)配向の単結晶ダイヤモンドの成長]
天然のタイプIAダイヤモンド単結晶を、(111)平面に沿って切断して(100)配向の基材を与える。オリーブ油中に懸濁され、鋳鉄プレートに含浸されたダイヤモンド粗粒子で以って該基材を研磨し、溝、引掻き傷、又は穴のない表面にする。次いで、この基材を超音波洗浄器において高温の洗浄剤で洗浄し、アセトンでリンスして乾燥する。洗浄に続いて、モリブデンホルダー内に保持されたタングステンフィラメントから成る基材ヒータを有し、かつ基材からおよそ10mmにレニウムフィラメントを有する熱フィラメント化学気相成長反応器(HFCVD)に該基材を配置する。該反応器を10mtorr未満の圧力に排気し、次いで、速度100sccmで以って99.999%純度の水素で40torrの圧力に充填する。
【0121】
レニウムフィラメントに電力を加えて2100℃の温度にし、線状消失式光高温計により測定される950℃の温度に基材が達するまで、電力を基材ヒータに加える。5分間フィラメントと基材の温度を一定に保った後、最終混合ガスを99%水素及び1%メタンにして、一方で合計ガス流量を100sccmに維持するように、メタンガスをガス流に加える。水素の一部はフィラメントの表面で原子状水素に転化し、メタンは基材表面で原子状水素の存在下において分解して、ダイヤモンドのエピタキシャル層を形成する。1μm/hの速度で24時間成長を維持して、24μm厚さの単結晶堆積物を形成する。この期間の最後でメタン流を停止し、フィラメントの電力供給と基材の電力供給を停止して、膜を備えた基材を室温まで冷却する。この時点で反応器を排気してすべての水素を除去し、次いで室内空気で満たして大気圧にする。
【0122】
付着ダイヤモンド膜を備えた単結晶ダイヤモンド基材を取り出し、クロム酸と硫酸の混合液において250℃の温度で洗浄して、残留する非ダイヤモンド炭素をダイヤモンド表面から除去し、単結晶シードに付着した単結晶ダイヤモンド膜を残す。
【0123】
(111)配向の非ドープ単結晶ダイヤモンドプレートが得られ、およそ24μmの厚さを有する。
【Technical field】
[0001]
The present invention relates to synthetic diamonds and methods for preparing and using synthetic single crystal diamonds. In particular, the present invention relates to nitrogen, phosphorus, sulfur, boron, and isotopes in such compositions. Thirteen The present invention relates to single crystal diamond produced by a chemical vapor deposition method, including the role of impurities such as C.
[Background Art]
[0002]
Single crystal diamonds found in nature can be classified according to color, chemical purity, and end use. Most single crystal diamonds are colored and contain nitrogen as an impurity and are therefore used primarily in industrial applications and are classified as types Ia and Ib. The majority of gem diamonds (all considered "single crystal" diamonds) are colorless or variously light colored, contain little or no nitrogen impurities, and are classified as Type IIa. Types Ia, Ib and IIa are insulators. A rare form of single crystal diamond (classified as Type IIb) contains boron as an impurity, is blue, and is a semiconductor. In nature, because these features are not dominant, the color, impurity levels and electrical characteristics are unpredictable and cannot be used to make large quantities of specialty products in a predictable manner.
[0003]
Single crystal diamond offers a wide and useful range of extreme properties, including hardness, coefficient of thermal expansion, chemical inertness and wear resistance, low friction, and high thermal conductivity. In general, single crystal diamond is also electrically insulating, light transmissive from the ultraviolet (UV) to the far infrared (IR), and absorbs only in the carbon-carbon band of about 2.5 μm to 6 μm. It is. Given these properties, single crystal diamond can be used in many different applications, including as heat spreaders, abrasives, cutting tools, wire dies, optical windows, and as inserts and / or wear resistant coatings for cutting tools. Find use in applications. The engineering and industrial use of diamond has been hindered only by the relative shortage of natural single crystal diamond. Therefore, methods for synthesizing single crystal diamond in the laboratory have been pursued for a long time.
[0004]
Synthetic single crystal diamond for industrial use can be manufactured in a variety of ways, including those relying on the "high pressure method" and those involving controlled chemical vapor deposition (CVD). Diamond produced by either the "high pressure method" or the CVD method can be produced as single crystal diamond or polycrystalline diamond. High-pressure diamond is typically formed as micron-sized crystals and can be used as grit or loose abrasive, or can be embedded in metal or resin for cutting, grinding or other uses.
[0005]
Both methods, the "high-pressure method" and the "CVD method", make it possible to adjust the properties to a high degree, so that on a theoretical level it is possible to adjust the properties of color, impurity levels and electrical features It becomes. However, in order to produce a useful product by the "high-pressure method" at a practical level, there is a limit in imposing it depending on the presence or absence of impurities. By way of example, it has been shown that the addition of nitrogen can promote the growth of large crystals, but the removal of nitrogen or the addition of boron can make it more difficult to grow large crystals. In addition, without having to remove the seed crystal from the reactor after each layer has been grown, and without having to replace the seed crystal in the reactor to grow the next layer with a different composition, Does not seem to be able to produce a single crystal construct with Furthermore, large seeds are not compatible with the "high pressure method". In the CVD method, in contrast to the growth and control of single crystals, most actions are limited to the production of polycrystalline diamond.
[0006]
Producing high quality pure single crystal diamond by the high pressure process is practically difficult and expensive. Adding boron to a synthetic single crystal or polycrystalline diamond makes the diamond useful for assembling semiconductor devices, strain gauges, or other electrical devices, but single crystal diamonds should be selected. Indicated. See U.S. Patent No. 5,635,258. In addition, W. Ebert et al., "Epitaxial Diamond Schottky Barrier Diode With With / Off Current Ratios in access of 10" published by IEEE. 7 at High Temperatures ", Proceedings of IEDM, pp. 419-422 (1994), and S. Sahli et al. See NIST Special Publications 885, edited by Feldman et al.
[0007]
So-called "industrial diamond" has been commercially synthesized for more than 30 years using high pressure high temperature (HPHT) technology, in which single crystal diamond is produced at pressures of about 50-100 kbar and 1800 kbar. Crystallized from metal solvated carbon at temperatures of ~ 2300K. In the high pressure method, the crystal grows three-dimensionally and the crystal is only at one impurity level, except for discontinuities that can result from variations in the growth cycle. For example, RC Burns and G. Davis, “Growth of Synthetic Diamond,” pp. 396-422, The Properties of Natural and Synthetic Diamond, JE Field, Ed., Academic Press (1992), US Pat. And 4,034,066.
[0008]
Manufacture polycrystalline diamond films or coatings by a wide variety of different chemical vapor deposition (CVD) techniques using hydrocarbon gas (typically methane) in excess atomic hydrogen, which is only a rare process gas The more recent discovery that it is possible to do so has further increased interest in diamonds. CVD diamond grows two-dimensionally in each layer, and therefore can be a single composition, or can consist of multiple layers of composition (referred to as “buildings”) bulk crystals (or plates or Membrane) can be developed. CVD diamond grown in this way can exhibit mechanical, tribological, and even electronic properties comparable to natural diamond. See, for example, Y. Sato and M. Kamo, "Synthesis of Diamond From the Vapor Phase", pp. 423-469, The Properties of Natural and Synthetic Diamond, JE Field, Reed. Further, regarding the background art, U.S. Pat. Nos. 4,940,015, 5,135,730, 5,387,310, 5,314,652, See U.S. Pat. Nos. 4,905,227 and 4,767,608.
[0009]
For example, it would be possible to scale up the CVD process to provide an economically viable alternative to conventional high pressure processes for producing diamond abrasives and heat spreaders. , Is now very optimistic. The ability to coat a high surface area with a continuous film of diamond will open up new potential applications for CVD prepared materials. However, at present, the production of single crystal diamond by the CVD process is much less mature than the high pressure process, and the resulting materials tend to have higher defect levels and smaller sizes.
[0010]
Chemical vapor deposition, as the name implies, involves a gas phase chemical reaction that occurs above a solid surface, causing deposition on that surface. All CVD techniques for producing diamond films require a means for activating gas-phase carbon-containing precursor molecules. This generally involves activating heat (eg, a hot filament) or plasma (eg, DC, RF, or microwave), or using a combustion flame (oxyacetylene or plasma torch). Two of the more popular experimental methods include the use of hot filament reactors and the use of microwave plasma enhanced reactors. Although each method differs in detail, they all share common features. For example, the growth of diamond (rather than the deposition of other poorly defined carbon forms) is that the substrate is maintained at a temperature in the range of 1000-1400K and that the precursor gas is diluted with excess hydrogen. (Typical CH 4 (The mixing ratio is up to 1-2 vol%).
[0011]
The resulting film is usually polycrystalline with a morphology that is sensitive to just its growth conditions (unless a single crystal diamond seed is provided). It is generally known that growth rates for various deposition processes vary considerably, and that higher growth rates can only be achieved at the expense of a corresponding decrease in film quality. Quality generally includes several reference factors, such as the carbon ratio of sp3 (diamond) and sp2 bonds (graphite) in the sample, composition (eg, CC to CH bond content) and crystallinity. Conceivable. In general, combustion methods deposit diamond at high speeds (typically 100 μm / h to 250 μm / h), but often on very small local areas, with poor process control, Produces films of inferior quality. In contrast, hot filament and plasma methods give much slower growth rates (0.1-10 μm / h), but tend to produce high quality films.
[0012]
One of the major challenges researchers face with CVD diamond technology is that the growth rate can be economically feasible without sacrificing film quality (at levels above 100 + μm / h, or even 1 mm / h). It is to improve. The deposition rate has been found to increase almost linearly with the applied microwave power, and thus continues to improve using microwave deposition reactors. Currently, the typical rated power of microwave reactors is up to 5 kW, but next generation such reactors have a rated power of up to 50-80 kW. This gives a much more practical deposition rate for diamond, but of course at a higher cost.
[0013]
Thermodynamically, graphite rather than diamond is a stable form of solid carbon at ambient pressure and temperature. The fact that diamond films can be formed by CVD techniques is so inextricably linked to the presence of hydrogen atoms that are produced as a result of the gas being "activated" either by thermal or electron bombardment. These H atoms are believed to play several important roles in the CVD process. That is,
The H atom performs an H abstraction reaction with a stable gas-phase hydrocarbon molecule to generate a highly reactive carbon-containing radical species. This is important. This is because stable hydrocarbon molecules do not react to cause diamond growth. This reactive radical, especially methyl CH 3 Can diffuse to and react with the substrate surface, forming the CC bonds necessary to increase the diamond lattice.
H atoms terminate "dangling" carbon bonds on the growing diamond surface, preventing them from bridging and thereby reconstructing a graphite-like surface.
Atomic hydrogen etches both diamond and graphite, but under typical CVD conditions, the growth rate of diamond exceeds its etch rate, while for other carbon forms (eg, graphite) The opposite is true. This is believed to be the basis for preferential deposition of diamond rather than graphite.
[0014]
One major problem that has received attention is the mechanism of heteroepitaxial growth, the initial process in which diamond nucleates on non-diamond substrates. Several studies have shown that pre-polishing non-diamond substrates reduces the induction time for nucleation and increases the density of nucleation sites. The formation of a continuous diamond film is essentially a crystallization process that proceeds via nucleation, followed by a three-dimensional growth of various crystallites at the point where they eventually aggregate. The growth rate is improved.
[0015]
The polishing process is typically performed by polishing the substrate using either abrasive or coarse particles, typically 0.1 μm to 10 μm particle size diamond powder, either mechanically or by ultrasonic agitation. However, irrespective of the polishing method, the electronics industry, where circuit geometries are often on the sub-micron scale due to the need to scratch the surface in such poorly defined manner before deposition The use of CVD diamond for applications in such areas can be severely hindered. This concern has led to the pursuit of more controllable nucleation promotion methods such as ion bombardment. Ion bombardment can be performed in a microwave deposition reactor by simply applying a negative bias of several hundred volts to the substrate, where the ions (i) damage the surface, (ii) are implanted into the grid, and (iii) Form a carbide intermediate layer.
[0016]
These methods include, for example, the production of single crystal diamond by CVD, in which polished single crystal diamond is used as a seed crystal, and the structure of the seed crystal is reproduced in a new single crystal diamond grown on the seed. Is in stark contrast. The resulting single crystal diamond has properties superior to polycrystalline diamond for most industrial, optical, electronic and consumer applications.
[0017]
Various methods have been described for use in preparing synthetic diamond. See, for example, U.S. Patent Nos. 5,587,210, 5,273,731, and 5,110,579. Although most scientific research efforts on CVD diamond technology have been concentrated in the last decade, some more direct applications, such as cutting tools and heat spreaders, are already on the market. However, some issues need to be addressed and overcome before this technology begins to have a significant impact. The growth rate needs to be improved without degrading the film quality (one or more orders of magnitude). The deposition temperature needs to be reduced by 700 degrees to allow for the coating of low melting point materials and to increase the number of substrate materials on which the adherent diamond film can be deposited. A better understanding of the nucleation process is required, leading to the elimination of a pre-polishing step, which is preferably poorly controlled. The substrate area needs to be increased as before without loss of uniformity or film quality. For electronic applications, single crystal diamond films are strongly needed along with solid techniques for patterning and controlled n-type and p-type doping.
[0018]
On a related subject, diamond has the highest thermal conductivity of any known material, with a thermal conductivity value on the order of five times that of copper metal. High thermal conductivity is a very important property for many applications. This is because it can quickly remove heat from a narrow source and dissipate it to a larger area where heat can be completely removed from the operating system.
[0019]
In the field of material fabrication (cutting), heat is generated at the cutting crater or tool edge as a result of the cutting process. If that heat is not removed, the temperature of the cutting tool will rise to a point where it degrades by oxidation, corrosion or destruction, rendering the tool useless. Furthermore, poor tool quality significantly reduces the quality and accuracy of the manufactured parts. If the cutting tool is made of diamond, high thermal conductivity diamond, the heat from the cutting crater or edge is quickly removed from the crater or edge to the tool holder, and the temperature of the cutting crater or edge is determined by carbide, It is significantly cooler than comparable tools made from other materials such as oxides, nitrides, or borides. Therefore, diamond tools generally last longer than other cutting materials and can provide higher quality manufactured parts over a longer period of time. Similarly, a wire die is made from diamond. This is because it has excellent wear resistance, and the heat for forming the wire can be quickly dissipated from the wire. This results in a longer wire die life and higher wire quality for longer lengths than can be obtained with other wire die materials.
[0020]
In a window for a high power laser, light is partially absorbed by the lens material, and when the lens material warms, a thermal lens effect occurs, which changes the refractive index of the lens material. Since the heat generated by the laser beam must be dissipated to the outer surface of the lens, there is a gradient in the index of refraction of the material, which causes the laser beam to be distorted uncontrolled or focused or focused. Blurred. Such uncontrolled distortion results in uncontrolled cutting or welding in high power laser manufacturing facilities, limiting the useful power and thereby the number of applications in which such lasers can be used. Similar problems arise in the use of high power lasers for communications, fusion power generation, or other applications well known to those skilled in the art.
[0021]
Obviously, the use of diamond windows in high power laser systems is highly desirable, resulting in higher power laser cutters or welders, and other applications such as communications. It is also clear that much higher thermal conductivity diamond makes higher power lasers feasible. Furthermore, it is clear that the breakage and damage of the diamond window depends on how quickly heat can be removed from the window. As a result, higher thermal conductivity diamond windows are expected to have reduced failure rates from breakage and damage.
[0022]
In semiconductor devices such as solid state laser devices and high power microwave devices, high levels of heat are generated in very small areas. This heat must be removed. Otherwise, the temperature of the device will rapidly rise to a level where the device will not function properly or will fail catastrophically. This problem can be mitigated by mounting the semiconductor device on a diamond plate that quickly removes heat from a small area of the device and dissipates that heat to cooling fins or larger areas of the cooling device (P. Hui, et al.). "Temperature Distribution in a Heat Disposition System Using a Cylindrical Diamond Heat Spreader on a Copper Block," J. Appl. Phys., 75, J. Appl. Furthermore, it has been proposed to use diamond to cool a three-dimensional array of semiconductor devices or ICs in order to produce very fast three-dimensional computers in which the stack of chips is to be cooled by contact with a diamond plate. (R. Eden's Applications in Computers, Handbook of Industrial Diamonds and Diamond Films, pp. 1073-1102, eds. Mark Prelas, Galina Popovici and Louis Bigelow, Marcel Necker, Marcel Necker, 1998).
[0023]
In all of these devices and cutting tools, their performance and life are directly related to the temperature of the active components of the device and the tool. The operating temperature of the active components of the device / tool is directly related to the thermal conductivity of the diamond for which the heat is used. However, the thermal conductivity (TC) of diamond varies dramatically with impurities, crystal defects, and polycrystallinity. Therefore, the performance of a diamond tool or diamond-cooled semiconductor is directly related to the thermal conductivity of the diamond used (M. Seal, "High Technology Applications of Diamond", pp. 608-616, The Properties of Natural). and Synthetic Diamond, edited by JE Field, Acadenic Press (1992)).
[0024]
Polycrystalline diamond typically has the lowest thermal conductivity, with nitrogen-doped single crystals being higher and pure diamond being the highest. The natural diamond with the highest thermal conductivity is type IIa, which contains little or no nitrogen and has thermal conductivity values of 2000 to 2500 Watts / meter-Kelvin (W / mK) (V. I Nepsha's "Heat"). Capacity, Conductivity, and Thermal Coefficient of Expansion ", pp. 147-192, Handbook of Industrial Diamond, and Ed., D.K., K.D., K.D. Numerous measurements of natural diamond and synthetic diamond produced by the high-temperature and high-pressure method indicate that this value of 2000 to 2500 is usually the highest thermal conductivity that can be achieved and is generally accepted to date. showed that. Furthermore, a TC value of about 2200 has been achieved in high quality polycrystalline diamond. See, for example, "CVD Diamond: a New Engineering Material for Thermal, Dielectric and Optical Applications", RS Sussman et al., Industrial Diamond Review, 58-78 (5819).
[0025]
The thermal conductivity of diamond is caused by phonon-phonon transfer, and the thermal conductivity is governed by the mean free path (I) of those phonons in the diamond crystal. Therefore, any property of diamond that causes a change in the phonon mean free path will result in a change in the thermal conductivity of the diamond. Phonon scattering reduces the mean free path and phonon scattering includes phonon-phonon interaction (ppi), grain boundaries (gb), dislocations (dis), vacancies (vac), impurities (imp), and isotopes (iso). , And other mechanisms (othr), including voids. The phonon mean free path is given by:
1 / I = 1 / I (ppi) + 1 / I (gb) + 1 / I (dis) + 1 / I (vac) + 1 / I (imp) + 1 / I (iso) + 1 / I (othr)
[0026]
See US Pat. No. 5,540,904 for a detailed overview of the theory. Carbon is three isotopes 12 C, Thirteen C and 14 Exists in C, 12 C is present in natural diamond at about 99% level, Thirteen C is about 1%, 14 C is very low and radioactive, as used to date at geological or archeological sites. Applying the above theory, the carbon 13 (in these materials) Thirteen By reducing the amount of C) and increasing the grain size in the polycrystalline diamond, thereby reducing the volume of the grain boundaries, the thermal conductivity of diamond crystals and polycrystalline diamond was significantly improved. Of single crystal and polycrystalline diamond Thirteen C content from 1.1% to 0.001% (found in natural diamond and natural diamond precursors) Thirteen By reducing to C, the thermal conductivity at room temperature was found to increase from 2000 W / mK (for natural isotope diamond) to 3300 W / mK for isotopically enriched diamond (US Pat. 540,904, 5,360,479 and 5,419,276).
[0027]
Further, it has been found that the thermal conductivity of diamond can be altered by varying the purity of the diamond starting material with respect to the carbon isotope. For example, 12 When diamond crystals or polycrystalline diamond with a purity of 99.999% for the C isotope were produced, the thermal conductivity at room temperature increased to 3300 W / mK. In addition, it concluded that this is the highest thermal conductivity possible, and that this high thermal conductivity was also observed in polycrystalline diamond, so that crystal properties such as grain boundaries were not the main loss of thermal conductivity. . A theoretical analysis of the thermal conductivity of diamond has been performed (PG Klemens, Solid State Physics: Advances in Research and Applications, edited by R. Seitz and D. Turnbill (Academic, New York, 1958), Vol. 7). Consistent with the studies listed above in predicting that high thermal conductivity would occur in isotopically enriched diamond. However, this study further predicted that the thermal conductivity of pure natural isotope diamond should also be 3300 W / mK at room temperature. Since no natural or synthetic diamonds with a thermal conductivity higher than 2200 W / mK have been found (Field ibid., P. 681), either the theory is wrong or some of the natural isotopically concentrated diamonds have reduced thermal conductivity. It is concluded by those skilled in the art that there are factors that have not yet been explained.
DISCLOSURE OF THE INVENTION
[Problems to be solved by the invention]
[0028]
The ability to increase the thermal conductivity of single crystal diamond by 50% or more from 2300 W / mK to 3300 W / mK enables high power semiconductor devices such as diamond cutting tools, diamond wire dies, high power laser windows, lasers, Significant performance gains result for microwave devices and three-dimensional computers or circuits. However, to date, the advantages of diamond with improved thermal conductivity have not been applied to commercial applications at all. Because 12 This is because the cost of producing a precursor gas (typically, methane gas) with increased C is extremely high compared to the cost of natural isotope gas. Typically, such as methane gas 12 The cost of the C enriched precursor is $ 75- $ 200 / g compared to the cost of non-enriched methane at less than $ 0.01 / g. Because only 1-2% of methane is converted to diamond, the cost of the material with enhanced thermal conductivity is between $ 7,500 and $ 20,000 per gram of diamond crystal produced, and the natural isotope feedstock The cost will be less than $ 1 per gram of diamond produced. Due to this high cost, the resulting performance advantages of tools, wire dies, windows or devices are quite inferior and such heat transfer is only required for the most demanding, cost-sensitive and low-volume special applications. Cannot use diamond with improved rate.
[Means for Solving the Problems]
[0029]
The present invention provides a synthetic single crystal diamond that provides an improved combination of properties such as, for example, thermal conductivity, crystal integrity, color, strength, sound speed, fracture toughness, hardness, shape, and the like. The improved diamond is prepared by a controlled vapor deposition (CVD) process, which provides an overall improved product and / or an improved process for preparing such a product. In order to do so, the amount and / or type of impurities is varied and carefully adjusted in one or more layers of diamond. In one embodiment, such impurities are present in the multilayer diamond to achieve an improved combination of properties such as, for example, hardness, fracture toughness, electrical conductivity, optical properties, and crystal integrity. Actively adding impurities such as boron into one or more layers. In an alternative embodiment, adjusting such impurities includes reducing the nitrogen content in the thick single-layer diamond, while, especially to improve thermal conductivity, natural or near-natural. Maintain the C isotope content at the level.
[0030]
In a first embodiment identified above, the present invention comprises one or more single crystal diamond layers formed by chemical vapor deposition, wherein the layer comprises another layer free of impurities. Or a synthetic single crystal diamond composition comprising one or more layers having an increased concentration of one or more impurities (such as boron and / or carbon isotopes) as compared to a similar layer. Such compositions provide a unique combination of improved properties, including color, strength, sound speed, electrical conductivity, and defect control. In another aspect, the present invention provides a method for growing a diamond layer having predetermined impurities, growing additional layers of single crystal diamond having different impurities and / or impurity levels, and providing a desired structure. Repeating the process with different layers of different compositions and thicknesses to achieve, a method of preparing such diamonds. In yet another aspect, the present invention provides systems used to perform such methods, and products incorporating such compositions.
[0031]
As used herein, "doped" refers to at least one layer in a composition of the invention that produces a measurable change in, for example, electrical, physical, optical, electronic, or crystallographic properties. Grown with a certain amount of one or more impurities contained in the gas stream to provide a sufficient amount of impurities such as boron, sulfur, phosphorus, carbon isotopes, or lithium in the synthetic single crystal layer. Means that By "undoped" is meant that the layer is substantially free of boron (or other impurities) such that it has all the above-mentioned attributes of pure single crystal diamond.
[0032]
In another aspect, the present invention relates to various constructs that can be made, for example, from the single crystal diamonds of the present invention composed of layers containing different impurity concentrations, and methods of using such constructs. Further, the present invention provides a new use of semiconductor single crystal diamond made by adding an impurity doped layer, a method of producing single crystal diamond crystals having improved optical and electrical properties, A method using both an undoped single crystal diamond plate and a doped single crystal diamond plate will be described. All of these methods and compositions relate to single crystal diamond grown by the CVD method.
[0033]
With respect to the alternative embodiments described above, Applicants have determined that single crystal diamond having significantly higher thermal conductivity than previously known for similar (ie, non-isotopically enriched CVD grown) diamonds. Have been found. Such diamonds exhibit, for example, a thermal conductivity of at least about 2300 W / mK, preferably at least about 2500 W / mK, more preferably at least about 2800 W / mK, while being within standard ranges (eg, about 0.1%, more preferably higher than about 0.8%) Thirteen Retain C isotope content. Such thermal conductivity levels are known or only claimed for diamond grown by a relatively expensive and technically difficult process known to date as "isotopic enrichment". Then, correspondingly Thirteen The C content is required to be significantly reduced to the range of 0.01% to about 0.0001%.
[0034]
However, given the present description, one of ordinary skill in the art will appreciate that conventional CVD techniques without isotope enrichment can be used to grow, for example, thicker diamonds, while maintaining suitable low levels (eg, about 50 ppm). By maintaining impurity nitrogen at less than, more preferably, less than about 20 ppm, even more preferably, less than about 10 ppm, and most preferably, less than about 5 ppm, the diamond of this embodiment can be prepared. The resulting diamond offers significantly improved properties in a much less expensive manner than the closest known method in the art.
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
[0035]
The methods and compositions of the present invention can address a variety of embodiments, including: The use of diamond in this section relates to single crystal diamond. While not intending to be bound by theory, the methods and compositions of the present invention are based, at least in one embodiment, on the fact that a nitrogen or boron atom is larger than a carbon atom. Therefore, when these elements are added to the diamond structure, the crystal lattice expands. When a high content of nitrogen or boron is incorporated into diamond, the average distance between carbon atoms in diamond is moderately larger than in pure diamond. For example, AR Lang's "Diffraction and Imaging Studies of Diamond", pp. 215-258, The Properties of Natural and Synthetic Diagnostics, J.D.E.D. : Previous work and proposed experiments, "pp. 2239-2244, IPO Publishing Ltd. , 1993 and OA Voronov, AV Rahmania, "Cubic Lattice Parameter of Boron Doped Diamond". Applicants have found that this principle can be used advantageously to provide improved diamond compositions as described herein. The relationship between the nitrogen content and the resulting increase in lattice constant is given by the following equation (also in AR Lang's "Diffraction and Imaging Studies of Diamond", p. 246, The Properties of Natural and Joint Dynamism, Natural and Syndrome Field, Academic Press (1992)). That is, a = a o × (1 + 1.4 × 10 -7 × [N]), where a = lattice constant of doped diamond, a o = Lattice constant of pure diamond, [N] = nitrogen concentration in atomic parts per million (ppma).
[0036]
The relationship between the boron content and the resulting increase in lattice constant is given by the following equation (F. Brunet et al., "Effect of boron doping on the lattice parameter of homeepitaxial diatomical diadem. , Edinburgh, Scotland, August 3-8, (1997)). That is, when [B] ≦ 1525, a = a o × (1 + 1.38 × 10 -7 × [B]), and when [B] ≧ 1525, a = a o × (1-5.6 × 10 -4 + 4.85 × 10 -4 × [B]), where a = lattice constant of doped diamond, a o = Lattice constant of pure diamond, [B] = boron concentration in ppma.
[0037]
These equations can be used to help design a multilayer structure of a matched grating, or a layered structure with multiple layers or layers with lattice mismatches to specification. For example, if a boron-doped or nitrogen-doped thin layer is grown on a regular diamond substrate, the surface spacing of the carbon atoms will typically be larger than the substrate, and therefore the underlying diamond substrate will be in tension. Placed below, a new surface layer of boron (or nitrogen) doped diamond is compressed. Applicants have found that this enhances the surface of the diamond and makes it more resistant to cracking or other mechanical damage. This feature can be used to help strengthen many single crystal diamond products, for example, cutting tools, scalpels, microtomes, wire dies, and the like.
[0038]
Strain energy due to lattice mismatch (ε = (a o -A f ) / A o1 Where a o = Lattice constant of substrate, a f = Lattice constant of layer) can be estimated using the following equation. That is, energy = t × E × ε 2 / (1-v), where t = film thickness, E = Young's modulus, and v = Poisson's ratio (see, eg, CRM Grovenor's Microelectronic Materials, page 139, Adam Hiller (1989)). This equation, along with the equation for changing the lattice constant by adding impurities, can be used to create a layer or layers having strain energy that meets specifications.
[0039]
Diamond crystals usually contain dislocations that are discontinuous in atomic arrangement from perfect alignment. These dislocations typically progress linearly, and therefore range from substrate to film or crystal grown on the substrate. It has been demonstrated for ordinary semiconductors that when a dislocation intersects a layer under compression or tension, the dislocation changes direction and travels at an angle different from its original direction (JY Tsao, BW Dodson, ST Picraux and DM Cornelison's “Critical Stress for Si” x -Ge (1-x) Strained-Layer Plasticity ", 59 (21) Physical Review Letters, pp. 2455-2458, 23 November 1987. Reducing dislocation propagation or creating a series of thin layers under alternating compression and tension. (See YC Chen, J. Singh and PK Bhattacarya, "Suppression of defect propagation in semiconductors by pseudomorphic layers", J. Applied Physics, Phys. States that this process can be extended to diamond by growing alternating boron-doped (or nitrogen-doped) and undoped layers. Was found.
[0040]
The method of the present invention can be used to prepare diamond crystals, substrates and constructs with low or no dislocations. Further, the method can be used to prepare strain-free optical elements made from diamonds with low or no dislocations. Distortion results in optical elements such as lenses and windows, and birefringence that degrades the performance of jewelry.
[0041]
Further, the method allows for the production of low dislocation or dislocation free substrates for semiconductor devices. It is known in silicon and reported in diamond that impurities can accumulate on dislocations that cause local degradation of device performance. Thus, the present invention also includes higher performance devices using low dislocation substrates and made by the methods described herein.
[0042]
Diamond plates made exclusively from alternating layers of doped and undoped diamond are also expected to provide improved strength and resistance to cracking. They are useful in scalpels, cutting tools, slicing tools, wire dies, and other stressed applications.
[0043]
Another family of products that can be prepared using the synthetic diamond compositions described herein is based on the fact that high concentrations of boron in diamond cause the diamond to turn blue. The diamond plate can be shaped into a small, sharp blade that is very advantageous for certain types of surgery, including, for example, a scalpel that is heavily doped with boron and turned blue. See generally U.S. Patent No. 5,713,915 for scalpels. Such a blade offers particular advantages. This is because the blades are typically colorless or pale yellow, and the blades can be better discerned compared to ordinary diamond blades that are less visible. In addition, the surface of the diamond blade can be placed in compression, thereby imparting additional strength to the diamond plate. The boron-doped diamond can be provided as the entire volume of the blade or as a coating on an outer or inner layer.
[0044]
In addition, diamond coloring can be used to make diamonds that are more easily fabricated using laser cutting techniques. The addition of boron results in light absorption in the near infrared that results in higher absorption of the YAG laser beam, thereby reducing the power level required to make the product by laser cutting. For example, diamond is often shaped by cutting with a YAG laser operating at 1.06 μm. The addition of boron enhances light absorption at this wavelength, which allows for much lower power usage, thereby considerably simplifying the laser cutting process, resulting in damage and cracking of the diamond components produced. Reduced. The amount of absorption at 1.06 μm can be changed according to specifications by adjusting the amount of boron introduced, and the absorption position in diamond can be adjusted by the position of the boron layer in the multilayer structure.
[0045]
Since the boron-doped layer can be added at any time during the process, a blue tint can be placed inside the transparent sheath, providing a blue tint while permitting polishing of the outer surface. A blue inner or outer diamond layer can be provided for any use where easy visual or optical detection of diamond is required. Alternatively, the scalpel can be made from solid boron-doped diamond. The color can vary from light blue to black depending on the boron concentration.
[0046]
A third family of applications is based on the fact that boron doping results in electrical conductivity. Applications include: That is,
1. Boron-doped diamond undergoes a change in electrical resistivity as it is placed under compression or tension and changes in temperature. Thus, the method of the present invention can be used to coat a single crystal diamond tool with a boron-doped single crystal diamond and measure the stress of the tool at work and temperature. As a result, it can be used to provide in-situ sensors for monitoring and managing machining operations, allowing the tool to work optimally. Further, this feature is adaptable for use in providing a mechanically guided scalpel for minimally invasive surgery.
2. The use of conductive boron-doped diamond in surgery reduces the likelihood of discharge from a scalpel caused by static electricity, thereby damaging the patient or damaging surrounding electrical monitoring equipment or an implanted device such as a pacemaker. Prevent giving.
3. Diamond can be used to tear materials, such as plastic films, paper, or can be used to cut tissue slices in a microtome. A common problem with such processes is the build-up of static electricity which results in large discharges or the accumulation of dirt, dust and cutting residue on the cut surface. Boron-doped diamond surfaces for tools can be used to prevent such static development. In some cases, it may be desirable to use an entirely solid boron doped diamond tool, rather than a membrane or multilayer structure.
4. Boron-doped diamond is very resistant to the attack of acid or basic aqueous solutions. Boron-doped polycrystalline diamond has been used as an electrode in the electrochemical synthesis of substances such as oxygen and chlorine. Polycrystalline diamond electrodes typically have many times the life of electrode materials, such as graphite or stainless steel. However, polycrystalline diamond undergoes significant degradation over hours of operation. Polycrystalline diamond is composed of millions of microcrystals that connect to each other at grain boundaries. These grain boundaries tend to collect impurities and are attacked slowly resulting in decay. Applicants have manufactured electrodes made from single crystal boron-doped diamond. These electrodes have no grain boundaries, have a significantly longer lifespan than polycrystalline diamond, show some wear, but do not show catastrophic decline. Furthermore, single crystal diamond electrodes can withstand orders of magnitude higher currents than polycrystalline diamond without catastrophic degradation or substantial corrosion.
[0047]
Finally, the compositions of the present invention can provide unique and unique semiconductor properties useful for making things such as, for example, tools, microtomes, cutting tools for detectors, and the like.
[0048]
The doped layer (s) of the present invention can also encompass situations where the spacing between carbon atoms decreases rather than increases. Carbon is found in several isotopes. 12 C is the most common isotope, while Thirteen C is present at about 1%. All Thirteen Diamond consisting of C atoms is (99% 12 C and 1% Thirteen The spacing between carbon atoms is smaller than that of ordinary diamond (containing C). The dependence of the lattice constant on the isotope content of diamond is given by:
a = a o −5.4 × 10 -9 × [ Thirteen C]
Where a = lattice constant of the isotope-enriched diamond, a o = Lattice constant for undoped natural isotope diamond, [ Thirteen C] = Thirteen Atomic fraction of C (see H. Holloway et al., "Erratum: Isotope dependency of the constant of diamond", Physical Review B45, p. 6353 (1992)).
[0049]
therefore, 12 On C substrate Thirteen Depositing a layer of C diamond and under compression 12 C diamond and under tension Thirteen It is possible to place a C surface layer. As a result, this results in: That is,
1. A reinforced diamond plate or crystal with a single layer applied and without boron or nitrogen doping.
2. Creating heterostructures to reduce dislocations without using boron or nitrogen doped layers. This heterostructure is undoped 12 C and Thirteen Alternate layers of C diamond may be included. Such a structure 12 C or Thirteen C can end with any layer, 12 C or Thirteen C Can be used to grow single crystal plates of any diamond.
3. Change continuously 12 C / Thirteen C layer to change the lattice spacing from one to the other, thereby Thirteen A substrate is provided for the C diamond crystal.
4. Thirteen C atoms are closer to each other than regular diamonds, Thirteen C diamonds are used in situations where it is unavoidable to wear, scratch, dent or wear normal diamonds. Thirteen It is expected to be harder than regular diamond to the extent that a bulk crystal or layer of C can be used.
5. Less than 0.1% (assuming isotope enrichment) Thirteen Has C impurity Thirteen C diamond has been shown to have a particularly high thermal conductivity. By growing a boron-doped isotope-enriched diamond layer on regular diamond, semiconductor devices can be created in which heat is distributed at a fast rate laterally and then axially down to a heat spreader. The same can be applied to undoped isotope-enriched diamond on ordinary diamond with the aim of quickly removing heat in the lateral direction and then removing the heat axially to the heat spreader. Such a structure can provide better temperature control in communications lasers and other high power devices. In addition, alternating layers of regular diamond and isotope-enriched diamond can result in structures having extremely high lateral thermal conductivity as compared to vertical conductivity.
6. 12 C and Thirteen Since C has different masses, as the isotope content changes, the bandgap of diamond changes with a corresponding change in the electrical properties (AT Collins et al., "Indirect Energy Gap of." Thirteen C Diamond, "Physical Review Letters, 65, 891 (1990). Band offsets and the resulting changes in electrical properties are used to make electrical and optical devices that are not possible without these offsets. it can.
7. Thirteen C reduces the diamond lattice and boron or nitrogen expands the lattice, 12 C, Thirteen It is possible to create compositions consisting of C and high concentrations of boron or nitrogen (doping of boron results in the p-type semiconductor required for many devices). This composition can be designed to exactly match the regular diamond lattice spacing and to have a high boron concentration required for device performance, but to provide a strain-free construction. This approach provides a distortion-free heterostructure as used in III-V semiconductor structures.
8. Alternatively, a pseudo lattice-matched structure can be created in which the layers are under compression and tension alternately, and any layer can be doped with boron or nitrogen (or some other element). In this case, the electrical and device properties result from strain-induced electrical discontinuities.
9. Phosphorus has recently been shown to be an n-type dopant in CVD diamond (see Koizumi's Diam Films 1997) (see S. Koizumi et al., "Growth and Characterization of phosphorous doped n-type thin film radiation,". Materials 7, 540-544 (1998)). However, phosphorus is an atom much larger than carbon, nitrogen or boron (the covalent radius of P is 1.57 times larger than N and 1.25 times larger than B) (KW Boer's Survey of Semiconductor). Physics, page 25, van Nostrand (1990)), which limits the amount of phosphorus that can be incorporated into diamond and limits the potential electrical performance of the device. Thirteen C makes the diamond lattice smaller, and phosphorus expands it, 12 C, Thirteen It is possible to create an alloy composition consisting of C and a high concentration of phosphorus. As a result, this can result in higher phosphorus concentrations that are more suitable for device performance.
10. Sulfur has recently been shown to be an n-type dopant in CVD diamonds (Diamond Films 1997, Koizumi, MN Gumo et al., "Sulfur: A New Door Dot for N-TYPE DIAMOND SEMICONDUCTORICONECORONTICONERCONDIOCONDIOMONTICONERTICONECONDIOMONTICONERCONDIOCONDIOMONTICONERCONDIOMONTIOCONDIOCONDIOMONTICONECONDIOMONTICONERCONDIOMONTICONERCONDIOMONTIOINTERFRONTCOIRMONIORCONDITIONALCONDITIONALCONDITIONALCOMMONDIOMONIORCONDICTIONCOATDIONDIAMONDONCOMMONDIAMONDCOIRMONIORCOONDIAMONIORCOONDIAMONIORCOONDIAMONDONDIEMCORON / Diamonds.html). Conference (1999) p. 54 "). However, sulfur is a much larger atom than carbon, nitrogen or boron (the covalent radius of S is 1.49 times greater than N and 1.09 times greater than B) (CRC Materials Science and Engineering Handbook). , P. 18, CDC Press (1994)), which limits the amount of sulfur that can be incorporated into diamond and limits the potential electrical performance of the device. Thirteen C makes the diamond lattice smaller and sulfur expands it, 12 C, Thirteen It is possible to create alloy compositions consisting of C and high concentrations of sulfur. As a result, this can result in higher sulfur concentrations that are more suitable for device performance.
11. By combining items 8 and 9 (or items 8 and 10) and growing a boron-doped diamond layer followed by a phosphorous or sulfur-doped diamond layer, the pn junction needed for many semiconductor devices can be created. An advantage of using the alloy composition is that it provides a very high level of electrically active carrier that allows operation of conventional semiconductor devices on diamond. Diamond semiconductor devices are expected to operate at higher power levels, temperatures, and speeds than any other semiconductor device material.
12. The method of the present invention can be used to grow single crystal diamond from normal isotope carbon; for example, when it is desired to prevent confusion between natural diamond and CVD grown single crystal diamond, the identification of gemstones, etc. When it is a CVD single crystal diamond used for an article of the purpose, to provide a marker for identifying the origin of the diamond, Thirteen Can be used to scatter C diamond layers. Alternatively, the entire single crystal Thirteen It can be grown on C carbon and can also provide a method of detection. Such detection methods are high resolution X-ray diffraction, Raman spectroscopy, and mass spectrometry, each of which can be used to measure the isotope content. For example, the Raman method shows small changes in the crystal structure caused by increasing or decreasing the lattice spacing.
[0050]
CVD diamond is substantially the same as natural or high pressure diamond. The methods and compositions of the present invention allow single crystal diamond to be provided in the form of plates or other substrates that can be used as an initial step for producing large quantities of diamond products. In addition, the method can be used to eliminate a significant number of fabrication steps, such as sawing and lapping, and to improve the production of useful products. Furthermore, since the quality of CVD single crystal diamond is equal to or better than natural or high pressure synthetic diamond, the resulting product is of high quality, has less breakage, has higher light transmission, etc. . Therefore, the present invention relates to substrates for CVD single crystal diamond plates described herein for gems, scalpels, wire dies, microtomes, heat spreaders, optical windows, knives, cutting tools, and substrates for active devices of single crystal diamond. Including use.
[0051]
In a particularly preferred embodiment, the method is used to provide a diamond layer having a boron concentration in parts per million (ppma) of about 0.005 to about 10,000 ppma, preferably about 0.05 ppma to about 3000 ppma. it can. Such layers are grown using CVD techniques by incorporating boron into the precursor gas at concentrations of about 100 ppma to about 300,000 ppma and about 1000 ppma to about 100,000 ppma, respectively (for gaseous carbon). Can be done.
[0052]
A diamond layer with one dopant (such as boron) can be lattice matched to a layer containing another dopant (such as nitrogen) to provide an unstrained doped layer. This can be achieved by incorporating an appropriate degree of impurity concentration, as given by the above equation relating the resulting change in lattice constant to the impurity concentration. In addition, diamond layers with tailored strains can be created by growing the layers with selected impurity levels that create the desired lattice mismatch. Such structures can consist of undoped layers and / or layers containing boron, nitrogen, phosphorus, sulfur and / or isotope enhancement.
[0053]
The entire diamond or individual layers can each have a blue tint ranging from sky blue to very dark blue by adding boron to the precursor gas to provide boron concentrations in the diamond ranging from about 0.05 ppma to about 3000 ppma. It can be made to have. In such films, the light absorption coefficient for wavelengths between 450 nm and 7 μm increases with increasing doping content and with increasing thickness.
[0054]
By adding boron to the precursor gas to provide a boron concentration in the diamond of about 0.005 ppma to about 10,000 ppma (preferably about 0.01 ppma to about 3000 ppma), the electrical resistivity at room temperature is about 100, A single diamond or individual layer of from 000 ohm-cm to about 0.01 ohm-cm, preferably from about 5000 ohm-cm to about 0.02 ohm-cm can be made. Such a boron-doped layer can also be grown with an isotopically enriched layer to create a junction of the layer with band gap discontinuities. For example, boron doped on natural isotope undoped layer Thirteen The C-enriched layer creates a doped layer with a wider band gap than the undoped layer. Such a layer can be expected to provide improved electrical properties as compared to structures without band gap discontinuities.
[0055]
In another embodiment of the present invention, the inventors have determined that normal isotope single crystal diamond grown by the CVD process described herein has a thermal conductivity at room temperature of well over 2200 W / mK. I found that. Thermal conductivity measurements were made by applying a heat source to one side of the diamond sample and measuring the temperature on the other side of the sample. The instrument was calibrated by measuring aluminum, copper and nitrogen doped diamonds and was found to give a thermal conductivity of 3200 W / mK at room temperature.
[0056]
This is the highest thermal conductivity of natural isotope abundance diamond (single crystal or polycrystal) produced by any technique to date. This high thermal conductivity is not expected from the prior art at all, since all previous natural and synthetic diamonds having a natural isotope distribution have a thermal conductivity of 2500 W / mK or less.
[0057]
The single crystal diamonds produced herein were tested as wire dies and resulted in higher yields of higher quality wires than dies made using natural or high pressure synthetic diamond crystals. These results demonstrate that the products of the present invention provide improved performance through longer tool life.
[0058]
Engineering calculations of the requirements for heat spreaders for high power laser or microwave devices indicate that the cooling effect is directly related to diamond thermal conductivity, diamond thickness and diameter. This indicates that the performance of the heat spreader can be improved by increasing the thermal conductivity of the diamond, or that the cost can be reduced by using less diamond. Furthermore, the potential for exceptionally high thermal conductivity diamond is demonstrated in this material, including (1) high laser damage threshold, and (2) improved wire die life. Thus, the single crystal diamonds of the present invention appear to have the performance of isotope-enriched diamond without the high cost of isotope enrichment (the carbon precursor cost of the process is substantially negligible).
[0059]
Single crystal synthetic diamond was grown by the high pressure method (US Pat. No. 5,127,983) and found to exhibit a maximum thermal conductivity of 2200 to 2500 W / mK at room temperature. High pressure diamond is grown as a few millimeter-sized independent crystals with the edges down. These large crystals can easily be made into slabs that can be accurately polished by thermal polishing. Single crystal diamond is produced by the CVD method by growth on a single crystal seed that can source natural diamond crystals, high pressure grown diamond crystals, or CVD grown diamond crystals. Diamond growth on single crystal diamond seeds has been demonstrated from methane or other hydrocarbon precursors using hot filaments, microwave plasma, DC plasma, and combustion flames at temperatures of 800-1500 degrees Celsius (U.S. Patent Nos. 5,628,824, 5,387,310, 5,470,21, and 5,653,952). There are no reports on the thermal conductivity of these crystals. Partly because the above-listed processes leave the CVD diamond crystal attached to the diamond seed crystal, in part because Even if removed, it is too thin to make a significant measurement of thermal conductivity.
[0060]
A CVD crystal can be removed from its seed crystal by several means. Seed crystals can be removed by grinding the seed crystals with diamond grit in a manner well known in the art (Gridinsky). Alternatively, the seed crystals can be removed by sawing with a diamond impregnated diamond wheel, commonly used to cut industrial and gem diamonds (Field). In yet another method for removing CVD diamond from a seed crystal, a sacrificial layer is formed on the diamond seed surface, CVD diamond is grown on top of the sacrificial layer, and then the sacrificial layer is removed and a freestanding diamond is removed. Give a crystal plate. Methods of making and removing such a sacrificial layer include electrolysis or heating in an oxidizing atmosphere (US Pat. No. 5,587,210), which allows diamond to grow and can be removed by a combination of acid leaching and oxidation. Making a porous construct (US Pat. Nos. 5,443,032 and 5,614,019) or depositing a layer of non-diamond material that can be removed by oxidation or other treatment (US Pat. 290, 392), followed by ion implantation to form a non-diamond layer below the seed surface. In all of these cases, there is a demand and claim to grow and remove thick single crystal diamond from natural and high pressure diamond seed crystals. However, none of these processes have been previously performed and produce thick crystals of sufficient quality for thermal conductivity, impurity content or for making tools, wire dies, windows, or heat spreaders. . In practice, the growth rates described in the above process patents are so slow that they are not economically feasible, and it takes hundreds of hours to produce any commercially useful CVD diamond crystal.
[0061]
In the present invention, a single-crystal diamond having a high thermal conductivity is obtained by growing as follows. That is, (1) a single crystal in which the diamond crystal having a thickness of at least about 20 μm, preferably 50 μm, more preferably at least about 75 or even 100 μm can be selected from natural diamond crystals, synthetic high pressure diamond crystals, or synthetic CVD diamond crystals Grown on a seed, (2) the diamond crystal is grown from a hydrocarbon gas and hydrogen, may or may not contain oxygen, is atomic hydrogen rich, and (3) has a CVD growth of 10 μm / h. And the growth of the CVD grown crystal is removed from the seed crystal by grinding, sawing, using a sacrificial layer, or other removal method deemed useful, and (4) nitrogen in the starting gas composition. The final C in which nitrogen having a content of less than 10 to 20 ppm is incorporated into the substitution site and / or the interstitial site in the crystal. As it obtained as a result of D diamond crystal sufficiently low. If these conditions are met, then the single crystal diamond produced will have a thermal conductivity greater than 2200 W / mK, and the material will be used as tools, wire dies, optical windows, and heat spreaders. Size and quality required for
[0062]
[Test method]
The various parameters described in this application can be determined in any suitable manner. For the purposes of the present claims, these parameters are determined by the method described below.
[0063]
[Thermal conductivity]
Methods for measuring the thermal conductivity of diamond are described in the literature ("Thermal Measurement Technologies" by JE Graebner, pp. 193-226, Handbook of Industrial Diamond and Diamond Films, D.K., K.P., K.K. (1998)). The measurement technique involves the use of steady state heating in which heat is applied to a portion of the sample, and the temperature distribution is measured for the rest of the sample. If the test geometry is linear, the thermal conductivity (k) can be estimated from the following equation:
k = heating power / σ × ΔT / Δx
Where k = thermal conductivity, heating power = power applied to heat diamond, σ = cross-sectional area, ΔT / Δx = measured temperature gradient along the sample.
[0064]
Care must be taken to consider other heat loss mechanisms, including radiation paths and alternative conduction paths. The thermal conductivity of diamond can also be measured by using periodic heating and generating heat waves, and the thermal diffusivity is measured. A periodic heating source is applied to the sample via pulse heating of a direct contact heater or by pulsing a light source (such as a laser) that heats a portion of the sample. The diffusion of the heat wave is measured using a thermocouple or an infrared temperature sensor, from which the thermal diffusivity can be determined. The diffusivity (D) is related to the thermal conductivity (k) by the following equation.
k = D × c
Where k = temperature diffusivity, c = heat capacity / unit volume.
[0065]
[Nitrogen content]
There are several methods used to measure the nitrogen content in diamond, and the most appropriate technique is determined and measured by the type of nitrogen center found in diamond. Nitrogen can be present in several diamond configurations, the most common configurations being the monosubstituted form (ssf) (where the isolated nitrogen atom replaces one carbon atom in the lattice), the A center (a pair of adjacent substituted nitrogen atoms) ), And the B center (due to the four substituted nitrogen atoms clustered around the lattice vacancies) ("Absorption and Luminescence Spectroscopy" by CD Clark, AT Collins, and GS Woods, The Properties of Natural and Dynamite and Dynamite and Dynamite and Dynamite and Dynasty JE Field, Academic Press (1992)). The nitrogen content in diamond can be determined using mass spectroscopy, light absorption, and electron spin resonance (esr). Mass spectrometry (such as secondary ion mass spectrometry (SIMS)) is particularly preferred because it can be used to detect all forms of nitrogen in diamond, but consumes some or all of the sample. Although spectroscopic techniques are non-destructive, they are only sensitive to certain forms of nitrogen in diamond. Infrared absorption can be used to determine the nitrogen concentration of various forms of nitrogen using the following correction factors.
ssf: concentration = 22 atomic ppm / 1 cm -1 Absorption (1130cm -1 )
A center concentration = 17.5 atomic ppm / 1 cm -1 Absorption (1130cm -1 )
B center concentration = 103.8 atomic ppm / 1 cm -1 Absorption (1130cm -1 )
[0066]
The (paramagnetic) ssf form can also be measured by comparing microwave absorption with reference absorption having a known spin concentration using esr. For CVD and HPHT grown diamonds, nitrogen was found to be almost exclusively contained in the ssf, and therefore the nitrogen concentration was determined by either infrared absorption (using the ssf correction factor), esr, and / or mass spectrometry. Is determined using
[0067]
[Boron content]
Similarly, the boron content in diamond can be determined using mass spectrometry and light absorption, and electrical measurements. The absorption at 3563 nm gives the uncorrected boron concentration according to the following equation:
[N a -N d ] (Cm -3 ) = 0.54 × 10 14 = Absorbance (1cm -1 ) (3563 nm)
Where N a = Total boron concentration, N d = Nitrogen concentration in monosubstituted form (determinable using one of the techniques given above). Boron concentration can also be determined by analyzing the electrical carrier concentration as a function of temperature using well-established equations for electroneutrality (see JS Blakemore's Semiconductor Statistics, Dover Publications (1987)).
[0068]
The isotope content of diamond can be determined using mass spectroscopy, X-ray diffraction, and Raman spectroscopy. The most accurate way to determine the isotope content of diamond is to use mass spectrometry techniques, such as SIMS or the analysis of combustion products produced by firing diamond. Such techniques allow for the determination of isotope content with a demonstrated resolution of the 0.01% level (TR Anthony et al., "Thermal Difficulty of Isotopically Enriched 12C Diamond" Physical Review B42, 1105 (90). On the other hand, it is known that SIMS measurement can be performed at a resolution of 1 / 100,000,000 when an appropriate measurement technique is used and a standard sample is available (JM Anthony's "Ion Beam"). Characterization of Semiconductors ", Semiconductor Characterization; Present Status and Future Needs, edited by WM Bullis, DG Seiler and AC Diebold, AIP Press (1 See 96)). It must be recognized that mass spectrometry techniques require that some or all of the diamond be destroyed during the measurement. X-ray diffraction and Raman spectroscopy (described below) can be used to determine the isotope content of diamond in a non-destructive manner, but the accuracy of the measurement depends on the equipment used and the quality of the diamond. High resolution X-ray diffraction can be used to determine the lattice constant, and the measured lattice constant can be used to determine the isotope content of diamond using the equations given above. It should be noted that in order to determine the isotope content at the atomic percent level using X-ray analysis, the lattice constant must be measured with a resolution of 0.00005 °. This requires the use of a high resolution X-ray diffractometer, such as a double crystal diffractometer, having a very complete monochromator crystal and involving sample rotation. Such a measurement approach has been described by Bartels (see WJ Bartels, Journal of Vacuum Science and Technology, B1, p. 338 (1983)). In order to measure the isotope content with a resolution of less than 1%, the measurement accuracy needs to be further improved. Isotope content can also be determined by measuring the peak position of the primary 1-phonon Raman band using the isotope dependence described by KC Hass et al. (KC Hass et al., "Lattice dynamics and Raman spectrum of isotopically mixed diamond ", Physical Review B45, pp. 7171-7182 (1992)). The position of the Raman band is 1332 cm for 100% 12C to 100% 13C isotopic change. -1 ~ 1281cm -1 And the change in position is almost linear with the isotope content. Thus, to measure a 1% change in isotope content using Raman spectroscopy, the position of the Raman line is 0.5 cm -1 It must be measured with less than certainty. This requires that the measurements be performed using a high-resolution Raman spectrometer, with a diamond quality of 0.5 cm -1 It needs to be high enough to give a Raman line width of less than. In order to measure the isotope content with a resolution of less than 1%, the measurement accuracy needs to be further improved.
[0069]
The choice of the appropriate technique to use to determine the isotopic content of a particular diamond, as described above, depends on the required accuracy and the availability of consumable samples.
[0070]
The following non-limiting examples are provided to illustrate the invention.
【Example】
[0071]
[Example 1]
[Growth of (100) -oriented single-crystal diamond on type IA natural diamond using hot filament method]
A natural type IA diamond single crystal is sliced with a diamond impregnated saw to provide a (100) oriented substrate. The substrate is polished with diamond grit suspended in olive oil and impregnated on a cast iron plate to a surface free of grooves, scratches, or digs. Next, the substrate is washed with a high-temperature detergent in an ultrasonic cleaner, rinsed with acetone, and dried. Following cleaning, the substrate is placed in a hot filament chemical vapor deposition reactor (HFCVD) having a substrate heater consisting of a tungsten filament held in a molybdenum holder and having a rhenium filament approximately 10 mm from the substrate. Deploy. The reactor is evacuated to a pressure of less than 10 mtorr and then charged to a pressure of 40 torr with 99.999% pure hydrogen at a rate of 100 sccm.
[0072]
Power is applied to the rhenium filament to a temperature of 2100 ° C. and power is applied to the substrate heater until the substrate reaches a temperature of 950 ° C. as measured by a linear vanishing optical pyrometer. After keeping the filament and substrate temperature constant for 5 minutes, methane gas is added to the gas stream such that the final gas mixture is 99% hydrogen and 1% methane while maintaining a total gas flow of 100 seem. Some of the hydrogen is converted to atomic hydrogen at the surface of the filament and methane decomposes at the surface of the substrate in the presence of atomic hydrogen to form an epitaxial layer of diamond. The growth is maintained for 24 hours at a rate of 1 μm / h to form a 24 μm thick single crystal deposit. At the end of this period, the methane flow is stopped, the filament and substrate power are turned off, and the substrate with the membrane is cooled to room temperature. At this point, the reactor is evacuated to remove all hydrogen and then filled with room air to atmospheric pressure.
[0073]
The single-crystal diamond substrate provided with the adhered diamond film is taken out, washed at a temperature of 250 ° C. in a mixed solution of chromic acid and sulfuric acid to remove the remaining non-diamond carbon from the diamond surface, and the Leave the crystalline diamond film.
[0074]
A (100) oriented undoped single crystal diamond plate is obtained, having a thickness of approximately 24 μm.
[0075]
[Example 2]
[Growth of (100) -oriented single crystal diamond on type IIA natural diamond using hot filament method]
A native type IIA diamond single crystal is sliced with a diamond impregnated saw to provide a (100) oriented substrate. The substrate is polished with diamond grit suspended in olive oil and impregnated on a cast iron plate to provide a surface free of grooves, scratches, or holes. Next, the substrate is washed with a high-temperature cleaning agent in an ultrasonic cleaner, rinsed with acetone, and dried. Following cleaning, the substrate is placed in a hot filament chemical vapor deposition reactor (HFCVD) having a substrate heater consisting of a tungsten filament held in a molybdenum holder and having a rhenium filament approximately 10 mm from the substrate. Deploy. The reactor is evacuated to a pressure less than 10 mtorr and charged with hydrogen at 99.999% purity to a pressure of 40 torr at a rate of 100 sccm.
[0076]
Power is applied to the rhenium filament to a temperature of 2100 ° C. and power is applied to the substrate heater until the substrate reaches a temperature of 950 ° C. as measured by a linear vanishing optical pyrometer. After keeping the filament and substrate temperature constant for 5 minutes, the final gas mixture was 99% hydrogen and 1% Thirteen C methane while maintaining the total gas flow at 100 sccm, Thirteen Methane gas enriched for C is added to the gas stream. Some of the hydrogen is converted to atomic hydrogen at the surface of the filament and methane decomposes at the surface of the substrate in the presence of atomic hydrogen to form an epitaxial layer of diamond. The growth is maintained for 24 hours at a rate of 1 μm / h to form a 24 μm thick single crystal deposit. At the end of this period, the methane flow is stopped, the filament and substrate power are turned off, and the substrate with the membrane is cooled to room temperature. At this point, the reactor is evacuated to remove all hydrogen and then filled with room air to atmospheric pressure. The single-crystal diamond substrate provided with the adhered diamond film is taken out, washed at a temperature of 250 ° C. in a mixed solution of chromic acid and sulfuric acid to remove the remaining non-diamond carbon from the diamond surface, and the Leave the crystalline diamond film.
[0077]
A (100) oriented undoped single crystal diamond plate is obtained, having a thickness of approximately 24 μm.
[0078]
[Example 3]
[Growth of (100) -oriented single crystal diamond on type IB high-pressure synthetic diamond using hot filament method]
A high pressure synthesized type Ib diamond single crystal is ground and polished to give a (100) oriented substrate. Next, the substrate is washed with a high-temperature cleaning agent in an ultrasonic cleaner, rinsed with acetone, and dried. Following cleaning, the substrate is placed in a hot filament chemical vapor deposition reactor (HFCVD) having a substrate heater consisting of a tungsten filament held in a molybdenum holder and having a rhenium filament approximately 10 mm from the substrate. Deploy. The reactor is evacuated to a pressure of less than 10 mtorr and then charged to a pressure of 40 torr with 99.999% pure hydrogen at a rate of 100 sccm.
[0079]
Power is applied to the rhenium filament to a temperature of 2100 ° C. and power is applied to the substrate heater until the substrate reaches a temperature of 1000 ° C. as measured by a linear vanishing optical pyrometer. After keeping the filament and substrate temperature constant for 5 minutes, acetone vapor is added to the gas stream so that the final gas mixture is 99% hydrogen and 1% acetone, while maintaining a total gas flow of 100 seem. Some of the hydrogen is converted to atomic hydrogen on the surface of the filament, and acetone decomposes on the substrate surface in the presence of atomic hydrogen to form an epitaxial layer of diamond. The growth is maintained at a rate of 1 μm / h for 48 hours to form a 48 μm thick single crystal deposit. At the end of this period, the acetone flow is stopped, the filament power and the substrate power are turned off, and the substrate with the membrane is cooled to room temperature. At this point, the reactor is evacuated to remove all hydrogen and then filled with room air to atmospheric pressure.
[0080]
The single crystal diamond substrate provided with the adhered diamond film is taken out and washed at a temperature of 250 ° C. in a mixed solution of chromic acid and sulfuric acid to remove the remaining non-diamond carbon from the diamond surface. After washing, the substrate and diamond are attached to a saw having a copper blade impregnated with diamond coarse particles, and the seed diamond is sawed to separate the single crystal diamond film from the single crystal seed.
[0081]
A (100) oriented undoped single crystal diamond plate is obtained and has a thickness of approximately 48 μm.
[0082]
[Example 4]
[Growth of (100) -oriented boron-doped single-crystal diamond on type IB high-pressure synthetic diamond using hot filament method]
A high pressure synthesized type Ib diamond single crystal is ground and polished to give a (100) oriented substrate. Next, the substrate is washed with a high-temperature cleaning agent in an ultrasonic cleaner, rinsed with acetone, and dried. Following cleaning, the substrate is placed in a hot filament chemical vapor deposition reactor (HFCVD) having a substrate heater consisting of a tungsten filament held in a molybdenum holder and having a rhenium filament approximately 10 mm from the substrate. Deploy. The reactor is evacuated to a pressure of less than 10 mtorr and then charged to a pressure of 40 torr with 99.999% pure hydrogen at a rate of 100 sccm.
[0083]
Power is applied to the rhenium filament to a temperature of 2100 ° C. and power is applied to the substrate heater until the substrate reaches a temperature of 1000 ° C. as measured by a linear vanishing optical pyrometer. After keeping the filament and substrate temperature constant for 5 minutes, the final gas mixture was 99% hydrogen and 1% acetone containing 1000 ppm methyl borate, while maintaining a total gas flow of 100 sccm. Acetone vapor is added to the gas stream. Some of the hydrogen is converted to atomic hydrogen on the surface of the filament, and acetone decomposes on the substrate surface in the presence of atomic hydrogen to form an epitaxial layer of diamond. The growth is maintained at a rate of 1 μm / h for 12 minutes to form a 0.2 μm thick boron-doped single crystal deposit. At the end of this period, the acetone flow is stopped, the filament power and the substrate power are turned off, and the substrate with the membrane is cooled to room temperature. At this point, the reactor is evacuated to remove all hydrogen and then filled with room air to atmospheric pressure.
[0084]
The single crystal diamond substrate provided with the adhered diamond film is taken out and washed at a temperature of 250 ° C. in a mixed solution of chromic acid and sulfuric acid to remove the remaining non-diamond carbon from the diamond surface. After cleaning, the substrate with the attached single crystal boron-doped diamond is equipped with a van der Pauw test system to measure resistivity and mobility.
[0085]
A (100) boron doped single crystal diamond film having a thickness of approximately 0.2 μm has been grown and adhered to the single crystal diamond substrate.
[0086]
[Example 5]
[The (100) orientation on CVD-grown single crystal synthetic diamond using hot filament method] Thirteen Growth of C single crystal diamond]
The polished CVD-grown diamond single crystal having a (100) orientation is washed with a high-temperature cleaner in an ultrasonic cleaner, rinsed with acetone, and dried. Following cleaning, the substrate is placed in a hot filament chemical vapor deposition reactor (HFCVD) having a substrate heater consisting of a tungsten filament held in a molybdenum holder and having a rhenium filament approximately 10 mm from the substrate. Deploy. The reactor is evacuated to a pressure of less than 10 mtorr and then charged to a pressure of 40 torr with 99.999% pure hydrogen at a rate of 100 sccm.
[0087]
Power is applied to the rhenium filament to a temperature of 2100 ° C. and power is applied to the substrate heater until the substrate reaches a temperature of 950 ° C. as measured by a linear vanishing optical pyrometer. After keeping the filament and substrate temperature constant for 5 minutes, the final gas mixture was 99% hydrogen and 1% Thirteen C methane while maintaining the total gas flow at 100 sccm, Thirteen Methane gas enriched for C is added to the gas stream. Some of the hydrogen is converted to atomic hydrogen at the surface of the filament and methane decomposes at the surface of the substrate in the presence of atomic hydrogen to form an epitaxial layer of diamond. The growth is maintained for 24 hours at a rate of 1 μm / h to form a 24 μm thick single crystal deposit. At the end of this period, the methane flow is stopped, the filament and substrate power are turned off, and the substrate with the membrane is cooled to room temperature. At this point, the reactor is evacuated to remove all hydrogen and then filled with room air to atmospheric pressure.
[0088]
The single-crystal diamond substrate provided with the adhered diamond film is taken out and washed in a mixed solution of chromic acid and sulfuric acid at a temperature of 250 ° C. to remove the remaining non-diamond carbon from the diamond surface, and is usually used as an isotope diamond seed. Single crystal attached Thirteen Leave the C diamond film.
[0089]
(100) oriented undoped Thirteen A C single crystal diamond plate is obtained, having a thickness of approximately 24 μm.
[0090]
[Example 6]
[Boron with (100) orientation on CVD-grown single crystal synthetic diamond using hot filament method] Thirteen Growth of C-doped single crystal diamond film]
The polished CVD-grown diamond single crystal having a (100) orientation is washed with a high-temperature cleaner in an ultrasonic cleaner, rinsed with acetone, and dried. Following cleaning, the substrate is placed in a hot filament chemical vapor deposition reactor (HFCVD) having a substrate heater consisting of a tungsten filament held in a molybdenum holder and having a rhenium filament approximately 10 mm from the substrate. Deploy. The reactor is evacuated to a pressure of less than 10 mtorr and then charged to a pressure of 40 torr with 99.999% pure hydrogen at a rate of 100 sccm.
[0091]
Power is applied to the rhenium filament to a temperature of 2100 ° C. and power is applied to the substrate heater until the substrate reaches a temperature of 950 ° C. as measured by a linear vanishing optical pyrometer. After keeping the temperature of the filament and the substrate constant for 5 minutes, the final gas mixture was replaced with 99% hydrogen and 1% hydrogen containing 100 ppm diborane. Thirteen C methane while maintaining the total gas flow at 100 sccm, Thirteen Methane gas enriched for C and diborane is added to the gas stream. Some of the hydrogen is converted to atomic hydrogen at the surface of the filament and methane decomposes at the surface of the substrate in the presence of atomic hydrogen to form an epitaxial layer of diamond. The growth is maintained at a rate of 1 μm / h for 10 minutes to form a 0.17 μm thick single crystal deposit. At the end of this period, the methane flow is stopped, the filament and substrate power are turned off, and the substrate with the membrane is cooled to room temperature. At this point, the reactor is evacuated to remove all hydrogen and then filled with room air to atmospheric pressure.
[0092]
The single-crystal diamond substrate provided with the adhered diamond film is taken out and washed at a temperature of 250 ° C. in a mixed solution of chromic acid and sulfuric acid to remove the remaining non-diamond carbon from the diamond surface, and the single-crystal diamond is usually an isotope. Boron-doped single crystal attached to seed Thirteen Leave the C diamond film.
[0093]
Boron (with reduced strain) attached to a CVD single crystal diamond substrate Thirteen A C-doped single crystal diamond film is grown, which has a (100) orientation and a thickness of approximately 0.17 μm.
[0094]
[Example 7]
[Phosphorus of (100) orientation on CVD-grown single crystal synthetic diamond using hot filament method] Thirteen Growth of C-doped single crystal diamond film]
The polished CVD-grown diamond single crystal having a (100) orientation is washed with a high-temperature cleaner in an ultrasonic cleaner, rinsed with acetone, and dried. Following cleaning, the substrate is placed in a hot filament chemical vapor deposition reactor (HFCVD) having a substrate heater consisting of a tungsten filament held in a molybdenum holder and having a rhenium filament approximately 10 mm from the substrate. Deploy. The reactor is evacuated to a pressure of less than 10 mtorr and then charged to a pressure of 40 torr with 99.999% pure hydrogen at a rate of 100 sccm.
[0095]
Power is applied to the rhenium filament to a temperature of 2100 ° C. and power is applied to the substrate heater until the substrate reaches a temperature of 950 ° C. as measured by a linear vanishing optical pyrometer. After keeping the temperature of the filament and the substrate constant for 5 minutes, the final gas mixture was made up of 99% hydrogen and 1% hydrogen containing 100 ppm phosphine. Thirteen C methane while maintaining the total gas flow at 100 sccm, Thirteen Methane gas enriched for C and phosphine is added to the gas stream. Some of the hydrogen is converted to atomic hydrogen at the surface of the filament and methane decomposes at the surface of the substrate in the presence of atomic hydrogen to form an epitaxial layer of diamond. The growth is maintained at a rate of 1 μm / h for 10 minutes to form a 0.17 μm thick single crystal deposit. At the end of this period, the methane flow is stopped, the filament and substrate power are turned off, and the substrate with the membrane is cooled to room temperature. At this point, the reactor is evacuated to remove all hydrogen and then filled with room air to atmospheric pressure.
[0096]
The single-crystal diamond substrate provided with the adhered diamond film is taken out and washed at a temperature of 250 ° C. in a mixed solution of chromic acid and sulfuric acid to remove the remaining non-diamond carbon from the diamond surface, and the single-crystal diamond is usually an isotope. Phosphorus-doped single crystal attached to seed Thirteen Leave the C diamond film.
[0097]
Phosphorus (with reduced distortion) and Thirteen A C co-doped single crystal diamond film is formed on a CVD single crystal diamond substrate having a (100) orientation, which is also (100) oriented and has a thickness of approximately 0.17 μm.
[0098]
[Example 8]
[Growth of a structure using a hot filament method, having a boron-doped single-crystal diamond layer and then an undoped single-crystal diamond layer on CVD-grown single-crystal synthetic diamond]
The polished CVD-grown diamond single crystal having a (100) orientation and a thickness of 75 μm is washed with a high-temperature cleaner in an ultrasonic cleaner, rinsed with acetone, and dried. Following cleaning, the substrate is placed in a hot filament chemical vapor deposition reactor (HFCVD) having a substrate heater consisting of a tungsten filament held in a molybdenum holder and having a rhenium filament approximately 10 mm from the substrate. Deploy. The reactor is evacuated to a pressure of less than 10 mtorr and then charged to a pressure of 40 torr with 99.999% pure hydrogen at a rate of 100 sccm. Power is applied to the rhenium filament to a temperature of 2100 ° C. and power is applied to the substrate heater until the substrate reaches a temperature of 950 ° C. as measured by a linear vanishing optical pyrometer. After keeping the filament and substrate temperature constant for 5 minutes, the final gas mixture was made up of 99% hydrogen and 1% methane containing 1000 ppm diborane, while maintaining the total gas flow at 100 sccm with methane gas. And diborane are added to the gas stream. Some of the hydrogen is converted to atomic hydrogen at the surface of the filament and methane decomposes at the surface of the substrate in the presence of atomic hydrogen to form an epitaxial layer of diamond. Maintain growth at a rate of 1 μm / h for 15 minutes to form a 0.25 μm thick single crystal deposit. At the end of this period, the diborane flow is stopped and the methane flow is continued for a further 75 hours. At the end of this period, the methane flow is stopped, the filament and substrate power are turned off, and the substrate with the membrane is cooled to room temperature. At this point, the reactor is evacuated to remove all hydrogen and then filled with room air to atmospheric pressure.
[0099]
The single-crystal diamond substrate provided with the adhered diamond film is taken out and washed at a temperature of 250 ° C. in a mixed solution of chromic acid and sulfuric acid to remove the remaining non-diamond carbon from the diamond surface to form a diamond crystal having a thickness of 150 μm. Leave the embedded boron-doped single crystal diamond layer.
[0100]
A (100) oriented single crystal diamond construct is formed having a 75 μm thick undoped CVD diamond, then a 0.25 thick boron doped single crystal diamond layer, and then a 75 μm thick CVD single crystal diamond layer. .
[0101]
[Example 9]
[Growth of a structure using a hot filament method, having alternating layers of boron-doped single-crystal diamond and undoped single-crystal diamond on CVD-grown single-crystal synthetic diamond]
The polished CVD-grown diamond single crystal having a (100) orientation and a thickness of 75 μm is washed with a high-temperature cleaner in an ultrasonic cleaner, rinsed with acetone, and dried. Following cleaning, the substrate is placed in a hot filament chemical vapor deposition reactor (HFCVD) having a substrate heater consisting of a tungsten filament held in a molybdenum holder and having a rhenium filament approximately 10 mm from the substrate. Deploy. The reactor is evacuated to a pressure of less than 10 mtorr and then charged to a pressure of 40 torr with 99.999% pure hydrogen at a rate of 100 sccm.
[0102]
Power is applied to the rhenium filament to a temperature of 2100 ° C. and power is applied to the substrate heater until the substrate reaches a temperature of 950 ° C. as measured by a linear vanishing optical pyrometer. After keeping the filament and substrate temperature constant for 5 minutes, the final gas mixture was made up of 99% hydrogen and 1% methane containing 1000 ppm diborane, while maintaining the total gas flow at 100 sccm with methane gas. And diborane are added to the gas stream. Some of the hydrogen is converted to atomic hydrogen at the surface of the filament and methane decomposes at the surface of the substrate in the presence of atomic hydrogen to form an epitaxial layer of diamond. The growth is maintained at a rate of 1 μm / h for 1.2 minutes to form a 0.02 μm thick boron-doped single crystal deposit. At the end of this period, the diborane flow is stopped and the methane flow is continued for another 1.2 minutes to produce a 0.02 μm thick undoped layer. This cycle is repeated 1 to 10 times or more to produce a single crystal construct of alternating boron doped and undoped layers. At the end of this period, the methane flow is stopped, the filament and substrate power are turned off, and the substrate with the membrane is cooled to room temperature. At this point, the reactor is evacuated to remove all hydrogen and then filled with room air to atmospheric pressure.
[0103]
The single-crystal diamond substrate provided with the adhered diamond film is taken out and washed in a mixed solution of chromic acid and sulfuric acid at a temperature of 250 ° C. to remove the remaining non-diamond carbon from the diamond surface, and to perform boron-doped and undoped alternate single-crystal. The heterostructure of the crystalline diamond layer remains.
[0104]
A single crystal diamond structure is formed comprising ten alternating layers of boron-doped diamond and undoped diamond, each having a thickness of 0.02 μm and a total thickness of 0.2 μm, wherein the top layer has 75 μm thick CVD single crystal diamond, all with (100) orientation.
[0105]
[Example 10]
[Growth of (100) -oriented boron-doped single-crystal diamond on CVD-grown single-crystal synthetic diamond using microwave plasma method]
The polished CVD-grown diamond single crystal having a (100) orientation and a thickness of 75 μm is washed with a high-temperature cleaner in an ultrasonic cleaner, rinsed with acetone, and dried. Following cleaning, the substrate is placed in a microwave plasma reactor (MWCVD) having a molybdenum substrate holder. The reactor is evacuated to a pressure of less than 10 mtorr and then charged to a pressure of 40 torr with 99.999% pure hydrogen at a rate of 100 sccm.
[0106]
Electric power is applied to the microwave generator to give a plasma ball to a substrate temperature of 900 ° C. as measured by a linear vanishing optical pyrometer. After maintaining the plasma power and substrate temperature constant for 5 minutes, the final gas mixture was made up of 99% hydrogen and 1% methane containing 1000 ppm diborane while maintaining the total gas flow at 100 sccm with methane gas. And diborane are added to the gas stream. Some of the hydrogen is converted to atomic hydrogen in the plasma and methane decomposes on the substrate surface in the presence of atomic hydrogen to form an epitaxial layer of diamond. The growth is maintained at a rate of 1 μm / h for 250 hours to form a 250 μm thick single crystal boron-doped diamond. At the end of this period, the diborane flow is stopped and the methane flow is continued for a further 75 hours. At the end of this period, the methane flow is stopped, microwave power is turned off, and the substrate with the membrane is cooled to room temperature. At this point, the reactor is evacuated to remove all hydrogen and then filled with room air to atmospheric pressure.
[0107]
The single-crystal diamond substrate provided with the adhered diamond film is taken out and washed at a temperature of 250 ° C. in a mixed solution of chromic acid and sulfuric acid to remove the remaining non-diamond carbon from the diamond surface and to form an undoped single-crystal diamond seed. The deposited boron-doped single-crystal diamond layer has a diamond crystal with a thickness of 250 μm.
[0108]
A (100) oriented boron-doped single crystal diamond plate is obtained, having a thickness of approximately 250 μm.
[0109]
[Example 11]
[Growth of (100) -oriented single crystal diamond on CVD-grown single crystal synthetic diamond using arc jet method]
The polished CVD-grown diamond single crystal having a (100) orientation and a thickness of 75 μm is washed with a high-temperature cleaner in an ultrasonic cleaner, rinsed with acetone, and dried. Following cleaning, the substrate is placed in an arc jet microwave plasma reactor (MPCVD) having a molybdenum substrate holder. The reactor is evacuated to a pressure of less than 10 mtorr and then charged to 100 torr with hydrogen of 99.999% purity at a rate of 5000 sccm.
[0110]
Electric power is applied to create an arc in the hydrogen stream to a substrate temperature of 900 ° C. as measured by a linear vanishing optical pyrometer. After maintaining the arc power and substrate temperature constant for 5 minutes, methane gas is added to the chamber such that the final gas mixture is 99% hydrogen and 1% methane, while maintaining a total gas flow of 5000 seem. Some of the hydrogen is converted to atomic hydrogen in the gas stream, and methane decomposes on the substrate surface in the presence of atomic hydrogen to form an epitaxial layer of diamond. The growth is maintained at a rate of 10 μm / h for 25 hours to form a 250 μm thick single crystal undoped diamond. At the end of this period, the methane flow is stopped, the arc power is turned off, and the substrate with the membrane is cooled to room temperature. At this point, the reactor is evacuated to remove all hydrogen and then filled with room air to atmospheric pressure.
[0111]
The single-crystal diamond substrate provided with the adhered diamond film is taken out and washed at a temperature of 250 ° C. in a mixed solution of chromic acid and sulfuric acid to remove the remaining non-diamond carbon from the diamond surface and to form an undoped single-crystal diamond seed. The deposited undoped single crystal diamond layer leaves a diamond crystal with a thickness of 250 μm.
[0112]
A (100) oriented undoped single crystal diamond plate is obtained and has a thickness of approximately 250 μm.
[0113]
[Example 12]
[Growth of single crystal diamond on CVD grown single crystal synthetic diamond using combustion method]
The polished CVD-grown diamond single crystal having a (100) orientation and a thickness of 75 μm is washed with a high-temperature cleaner in an ultrasonic cleaner, rinsed with acetone, and dried. Following cleaning, the substrate is placed in a combustion flame reactor (CFCVD) having a water cooled molybdenum substrate holder and operating at atmospheric pressure. The substrate is heated to 1000 ° C. as measured by a linear vanishing optical pyrometer using a gas mixture of acetylene and oxygen. After keeping the flame and substrate temperature constant for 5 minutes, the acetylene concentration was increased so that the composition was carbon rich and diamond growth began. Some of the hydrogen is converted to atomic hydrogen in the flame, and acetylene and other hydrocarbons decompose on the substrate surface in the presence of atomic hydrogen to form an epitaxial diamond layer. The growth is maintained at a rate of 20 μm / h for 25 hours to form a 500 μm thick single crystal undoped diamond. At the end of this period, the flow of acetylene and oxygen is stopped and the substrate with the membrane is cooled to room temperature.
[0114]
The single-crystal diamond substrate provided with the adhered diamond film is taken out and washed at a temperature of 250 ° C. in a mixed solution of chromic acid and sulfuric acid to remove the remaining non-diamond carbon from the diamond surface and to form an undoped single-crystal diamond seed. The adhered undoped single crystal diamond layer is left with a diamond crystal having a thickness of 500 μm.
[0115]
A (100) oriented undoped single crystal diamond plate is obtained, having a thickness of approximately 500 μm.
[0116]
[Example 13]
[Growth of (110) -oriented single crystal diamond on CVD-grown single crystal synthetic diamond using hot filament method]
A natural type IA diamond single crystal is sliced with a diamond impregnated saw to provide a (110) oriented substrate. The substrate is polished with diamond grit suspended in olive oil and impregnated on a cast iron plate to provide a surface free of grooves, scratches, or holes. Next, the substrate is washed with a high-temperature cleaning agent in an ultrasonic cleaner, rinsed with acetone, and dried. Following cleaning, the substrate is placed in a hot filament chemical vapor deposition reactor (HFCVD) having a substrate heater consisting of a tungsten filament held in a molybdenum holder and having a rhenium filament approximately 10 mm from the substrate. Deploy. The reactor is evacuated to a pressure of less than 10 mtorr and then charged to a pressure of 40 torr with 99.999% pure hydrogen at a rate of 100 sccm.
[0117]
Power is applied to the rhenium filament to a temperature of 2100 ° C. and power is applied to the substrate heater until the substrate reaches a temperature of 950 ° C. as measured by a linear vanishing optical pyrometer. After keeping the filament and substrate temperature constant for 5 minutes, methane gas is added to the gas stream such that the final gas mixture is 99% hydrogen and 1% methane while maintaining a total gas flow of 100 seem. Some of the hydrogen is converted to atomic hydrogen at the surface of the filament and methane decomposes at the surface of the substrate in the presence of atomic hydrogen to form an epitaxial layer of diamond. The growth is maintained for 24 hours at a rate of 1 μm / h to form a 24 μm thick single crystal deposit. At the end of this period, the methane flow is stopped, the filament and substrate power are turned off, and the substrate with the membrane is cooled to room temperature. At this point, the reactor is evacuated to remove all hydrogen and then filled with room air to atmospheric pressure.
[0118]
The single-crystal diamond substrate provided with the adhered diamond film is taken out, washed at a temperature of 250 ° C. in a mixed solution of chromic acid and sulfuric acid to remove the remaining non-diamond carbon from the diamond surface, and the Leave the crystalline diamond film.
[0119]
A (100) oriented undoped single crystal diamond plate is obtained, having a thickness of approximately 24 μm.
[0120]
[Example 14]
[Growth of (111) oriented single crystal diamond on natural single crystal synthetic diamond using hot filament method]
A natural type IA diamond single crystal is cut along the (111) plane to provide a (100) oriented substrate. The substrate is polished with diamond grit suspended in olive oil and impregnated on a cast iron plate to provide a surface free of grooves, scratches, or holes. Next, the substrate is washed with a high-temperature detergent in an ultrasonic cleaner, rinsed with acetone, and dried. Following cleaning, the substrate is placed in a hot filament chemical vapor deposition reactor (HFCVD) having a substrate heater consisting of a tungsten filament held in a molybdenum holder and having a rhenium filament approximately 10 mm from the substrate. Deploy. The reactor is evacuated to a pressure of less than 10 mtorr and then charged to a pressure of 40 torr with 99.999% pure hydrogen at a rate of 100 sccm.
[0121]
Power is applied to the rhenium filament to a temperature of 2100 ° C. and power is applied to the substrate heater until the substrate reaches a temperature of 950 ° C. as measured by a linear vanishing optical pyrometer. After keeping the filament and substrate temperature constant for 5 minutes, methane gas is added to the gas stream such that the final gas mixture is 99% hydrogen and 1% methane while maintaining a total gas flow of 100 seem. Some of the hydrogen is converted to atomic hydrogen at the surface of the filament and methane decomposes at the surface of the substrate in the presence of atomic hydrogen to form an epitaxial layer of diamond. The growth is maintained for 24 hours at a rate of 1 μm / h to form a 24 μm thick single crystal deposit. At the end of this period, the methane flow is stopped, the filament and substrate power are turned off, and the substrate with the membrane is cooled to room temperature. At this point, the reactor is evacuated to remove all hydrogen and then filled with room air to atmospheric pressure.
[0122]
The single-crystal diamond substrate provided with the adhered diamond film is taken out, washed at a temperature of 250 ° C. in a mixed solution of chromic acid and sulfuric acid to remove the remaining non-diamond carbon from the diamond surface, and the Leave the crystalline diamond film.
[0123]
A (111) oriented undoped single crystal diamond plate is obtained, having a thickness of approximately 24 μm.

Claims (38)

a)改善された特性を提供するために、1つ又は複数の不純物が、1つ又は複数のダイヤモンド層中で調節される化学気相成長プロセスによって、ダイヤモンドを成長させる工程と、
b)該ダイヤモンドを少なくとも約20μmの全体厚さに成長させる工程と、
c)成長したダイヤモンドを取り出す工程と、
を含んで成る、合成単結晶ダイヤモンドを形成する方法。
a) growing diamond by a chemical vapor deposition process in which one or more impurities are adjusted in one or more diamond layers to provide improved properties;
b) growing the diamond to a total thickness of at least about 20 μm;
c) removing the grown diamond;
A method of forming a synthetic single crystal diamond comprising:
前記ダイヤモンドが、異なる組成物の複数層として形成され、前記方法が、所望の厚さ及び構造を達成するために、1つ又は複数の所定の不純物を層間に異なる含量で有するダイヤモンド層を成長させる工程を含んで成る、請求項1に記載の方法。The diamond is formed as multiple layers of different compositions, and the method grows diamond layers having different contents of one or more predetermined impurities between the layers to achieve a desired thickness and structure. The method of claim 1, comprising the steps of: 前記不純物が、窒素、ホウ素、硫黄、リン、炭素同位体、及びリチウムから成る群より独立して選択された、請求項1に記載の方法。The method of claim 1, wherein the impurities are independently selected from the group consisting of nitrogen, boron, sulfur, phosphorus, carbon isotopes, and lithium. 1つ又は複数の層がホウ素でドープされた、請求項3に記載の方法。4. The method of claim 3, wherein one or more layers are doped with boron. 前記ホウ素が、約0.03ppma〜約3,000ppmaの最終的なホウ素濃度にドープされた、請求項4に記載の方法。5. The method of claim 4, wherein said boron is doped to a final boron concentration of about 0.03 ppma to about 3,000 ppma. 前記ダイヤモンドが単一のホウ素ドープ層を含んで成る、請求項5に記載の方法。The method of claim 5, wherein the diamond comprises a single boron-doped layer. 前記ダイヤモンドが、約200μm〜約0.01μmの合計厚さに成長された少なくとも1つのホウ素ドープ層を含んで成る、請求項2に記載の方法。The method of claim 2, wherein the diamond comprises at least one boron-doped layer grown to a total thickness of about 200 μm to about 0.01 μm. 前記ダイヤモンドが、約10μm〜約0.05μmの合計厚さに成長された少なくとも1つのホウ素ドープ層を含んで成る、請求項7に記載の方法。The method of claim 7, wherein the diamond comprises at least one boron-doped layer grown to a total thickness of about 10m to about 0.05m. 成長して取り出されたダイヤモンドを、宝石、メス、ワイヤーダイ、ミクロトーム、ヒートスプレッダ、光学窓、ナイフ、切削工具、及び単結晶ダイヤモンドの能動デバイス用基材から成る群より選択される製品に製作する更なる工程を含んで成る、請求項1に記載の方法。Further forming the grown and removed diamond into a product selected from the group consisting of gems, scalpels, wire dies, microtomes, heat spreaders, optical windows, knives, cutting tools, and single crystal diamond active device substrates. The method of claim 1 comprising the steps of: 前記製品が宝石であり、前記ダイヤモンドが、少なくとも1つのドープ層を含む複数の層を含んで成る、請求項9に記載の方法。The method of claim 9, wherein the product is a gem and the diamond comprises a plurality of layers including at least one doped layer. 前記ダイヤモンドが単一層の単結晶ダイヤモンドであり、前記不純物を調節する工程が、窒素濃度を実質的に通常レベルより低くすることを含んで成り、一方で、通常又は通常に近いレベルで同位体濃度を維持する、請求項1に記載に方法。The diamond is a single layer, single crystal diamond, and the step of adjusting the impurities comprises lowering the nitrogen concentration substantially below normal levels, while the isotopic concentration at normal or near normal levels. The method of claim 1, wherein 前記改善された特性が、熱伝導率、硬度、破壊靭性、電気伝導率、光学的性質、及び結晶完全性から成る群より選択された、請求項11に記載の方法。12. The method of claim 11, wherein the improved properties are selected from the group consisting of thermal conductivity, hardness, fracture toughness, electrical conductivity, optical properties, and crystal integrity. 前記改善された特性が熱伝導率を含む、請求項12に記載の方法。13. The method of claim 12, wherein said improved properties include thermal conductivity. 前記熱伝導率が少なくとも約2500W/mKである、請求項13に記載の方法。14. The method of claim 13, wherein said thermal conductivity is at least about 2500 W / mK. 前記ダイヤモンドが、少なくとも約2800W/mKの熱伝導率を示す、請求項14に記載の方法。15. The method of claim 14, wherein the diamond exhibits a thermal conductivity of at least about 2800 W / mK. 前記ダイヤモンドが、少なくとも約3200W/mKの熱伝導率を示す、請求項15に記載の方法。The method of claim 15, wherein the diamond exhibits a thermal conductivity of at least about 3200 W / mK. 前記ダイヤモンドが約20ppm未満の窒素濃度を含有する、請求項11に記載の方法。The method of claim 11, wherein the diamond contains a nitrogen concentration of less than about 20 ppm. 前記ダイヤモンドが約10ppm未満の窒素濃度を含有する、請求項17に記載の方法。18. The method of claim 17, wherein said diamond contains a nitrogen concentration of less than about 10 ppm. 前記ダイヤモンドが約5ppm未満の窒素濃度を含有する、請求項18に記載の方法。19. The method of claim 18, wherein said diamond contains a nitrogen concentration of less than about 5 ppm. 前記ダイヤモンドが少なくとも約0.1%の13C含有量を有する、請求項11に記載の方法。The method of claim 11, wherein the diamond has a 13C content of at least about 0.1%. 前記ダイヤモンドが少なくとも約0.5%の13C含有量を有する、請求項20に記載の方法。21. The method of claim 20, wherein the diamond has a 13C content of at least about 0.5%. 前記ダイヤモンドが少なくとも約0.8%の13C含有量を有する、請求項21に記載の方法。22. The method of claim 21, wherein the diamond has a 13C content of at least about 0.8%. 前記ダイヤモンドが約5ppm未満の窒素濃度を含有し、少なくとも約3200W/mKの熱伝導率を示し、少なくとも約0.8%の13C含有量を有する、請求項11に記載の方法。The method of claim 11, wherein the diamond contains a nitrogen concentration of less than about 5 ppm, exhibits a thermal conductivity of at least about 3200 W / mK, and has a 13 C content of at least about 0.8%. 請求項1に記載の方法によって調製された、合成単結晶ダイヤモンド。A synthetic single crystal diamond prepared by the method of claim 1. 請求項2に記載の方法によって調製された、合成単結晶ダイヤモンド。A synthetic single crystal diamond prepared by the method of claim 2. 請求項3に記載の方法によって調製された、合成単結晶ダイヤモンド。A synthetic single crystal diamond prepared by the method of claim 3. 前記ダイヤモンドが約20ppm未満の窒素濃度を含有する、請求項26に記載の合成単結晶ダイヤモンド。27. The synthetic single crystal diamond of claim 26, wherein said diamond contains a nitrogen concentration of less than about 20 ppm. 前記ダイヤモンドが約10ppm未満の窒素濃度を含有する、請求項27に記載の合成単結晶ダイヤモンド。28. The synthetic single crystal diamond of claim 27, wherein said diamond contains a nitrogen concentration of less than about 10 ppm. 前記ダイヤモンドが約5ppm未満の窒素濃度を含有する、請求項28に記載の合成単結晶ダイヤモンド。29. The synthetic single crystal diamond of claim 28, wherein said diamond contains a nitrogen concentration of less than about 5 ppm. 前記ダイヤモンドが少なくとも約2300W/mKの熱伝導率を示す、請求項29に記載の合成単結晶ダイヤモンド。30. The synthetic single crystal diamond of claim 29, wherein the diamond exhibits a thermal conductivity of at least about 2300 W / mK. 前記ダイヤモンドが少なくとも約2500W/mKの熱伝導率を示す、請求項30に記載の合成単結晶ダイヤモンド。31. The synthetic single crystal diamond of claim 30, wherein the diamond exhibits a thermal conductivity of at least about 2500 W / mK. 前記ダイヤモンドが少なくとも約2800W/mKの熱伝導率を示す、請求項31に記載の合成単結晶ダイヤモンド。32. The synthetic single crystal diamond of claim 31, wherein said diamond exhibits a thermal conductivity of at least about 2800 W / mK. 前記ダイヤモンドが少なくとも約0.1%の13C含有量を有する、請求項29に記載の合成単結晶ダイヤモンド。30. The synthetic single crystal diamond of claim 29, wherein the diamond has a 13C content of at least about 0.1%. 前記ダイヤモンドが少なくとも約0.5%の13C含有量を有する、請求項33に記載の合成単結晶ダイヤモンド。34. The synthetic single crystal diamond of claim 33, wherein the diamond has a 13C content of at least about 0.5%. 前記ダイヤモンドが少なくとも約0.8%の13C含有量を有する、請求項34に記載の合成単結晶ダイヤモンド。35. The synthetic single crystal diamond of claim 34, wherein said diamond has a 13C content of at least about 0.8%. 前記ダイヤモンドが約5ppm未満の窒素濃度を含有し、少なくとも約3200W/mKの熱伝導率を示し、少なくとも約0.8%の13C含有量を有する、請求項29に記載の合成単結晶ダイヤモンド。30. The synthetic single crystal diamond of claim 29, wherein the diamond contains a nitrogen concentration of less than about 5 ppm, exhibits a thermal conductivity of at least about 3200 W / mK, and has a 13C content of at least about 0.8%. 前記製品が、宝石、メス、ワイヤーダイ、ミクロトーム、ヒートスプレッダ、光学窓、ナイフ、切削工具、及び単結晶ダイヤモンドの能動デバイス用基材から成る群より選択された、請求項21のダイヤモンドから調製された製品。22. Prepared from the diamond of claim 21 wherein the article is selected from the group consisting of gems, scalpels, wire dies, microtomes, heat spreaders, optical windows, knives, cutting tools, and substrates for single crystal diamond active devices. Product. 請求項21に記載のダイヤモンドを調製する工程と、該ダイヤモンドを、宝石、メス、ワイヤーダイ、ミクロトーム、ヒートスプレッダ、光学窓、ナイフ、切削工具、及び単結晶ダイヤモンドの能動デバイス用基材から成る群より選択された製品の形状に製作する工程とを含んで成る、製品を作製する方法。22. The step of preparing a diamond according to claim 21, wherein said diamond is a group consisting of a gemstone, a scalpel, a wire die, a microtome, a heat spreader, an optical window, a knife, a cutting tool, and a single crystal diamond active device substrate. Fabricating to the shape of the selected product.
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